Разработка и исследование методов обработки сигналов в задачах подповерхностного зондирования электромагнитными импульсами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Терешенков, Дмитрий Александрович

• Терешенков, Дмитрий Александрович
• кандидат наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат наук Терешенков, Дмитрий Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ

ПОДПОВЕРХНОСТНОМ ЗОНДИРОВАНИИ

- 1.1. Ретроспективный анализ и задачи обработки информации при подповерхностном зондировании

1.2. Расчет сигналов, отраженных от подповерхностных сред и объектов

1.3. Повышение разрешающей способности по продольным координатам

1.4. Повышение разрешающей способности по глубине

1.5. Отображение информации при подповерхностном зондировании

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ I

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ОТРАЖЕННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ЗАДАЧ

ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

2. I. Модель слоистой среды

2.1.1. Слоистые среды без потерь

2.1.2. Слоистые среды с потерями

2.2. Расчет сигналов, отраженных от подповерхностных объектов

2.2.1. Объекты в однородной среде

2.2.2. Объекты в слоистой среде

2.2.3. Отклик проводящей сферы в слоистой среде с

потерями

2.3. Результаты моделирования

2.3.1. Описание программы моделирования сигналов, отраженных от подповерхностных объектов и слоев почвогрунта

2.3.2. Анализ сигналов, отраженных от проводящей сферы

2.3.3. Результаты расчета сигналов, отраженных от подповерхностных объектов в слоистых средах

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

ПОДПОВЕРХНОСТНОГО РАДАРА

3.1. Повышение точности определения глубин объектов цутем учета априорной информации о среде

3.2. Метод синтеза апертуры для слоистой подповерхностной среды

3.3. Метод инверсной фильтрации с расчетом аппаратной функции по проводящей сфере

3.4. Результаты исследований предложенных методов на программной модели

3.4.1 Повышение разрешающей способности по

продольным координатам

3.4.2 Повышение разрешающей способности по глубине

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4Л. Описание разработанного пакета программного

обеспечения

4.2. Метод нелинейного динамического квантования

сигнала цветовой гаммой

'4.3. Исследование метода, повышения разрешающей

способности по продольным координатам

4.4 Исследование метода повышения разрешающей

способности по глубине

4.5. Практическое использование разработанног пакета программного обеспечения для решения различных

задач подповерхностного зондирования

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИ Е

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов обработки сигналов в задачах подповерхностного зондирования электромагнитными импульсами»

- 5 -ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Метод зондирования электромагнитными импульсами принадлежит к числу важнейших методов исследования природной среды. Посредством подповерхностного зондирования (ПЗ) обнаруживают скрытые в глубине объекты, измеряют толщины подповерхностных слоев (ПС), получают структурные и электрические характеристики сред. Локация этим методом может применяться для определения толщины дорожных покрытий и насыпей, местоположения газо- и водопроводных труб, энергетических кабелей, нахождения пустот, туннелей, грунтовых вод; использоваться в разведочной геофизике, в дефектоскопии материалов и изделий [1 - 9].

Эффективность работы подповерхностных радаров (ПР) во., многом определяется алгоритмами и методами обработки информации, заложенными в их программном обеспечении. Разработка этих алгоритмов и методов, их практическая реализация, исследование и доработка являются актуальными задачами [1 - 14].

Потери и искажения сигналов в диэлектрических слоях не позволяют использовать традиционные радиолокационные системы и методы обработки информации для задач ПЗ [1, 3, 5, 7, 9, 13, 15 -22].

Многие известные методы обработки информации при ПЗ [16,9-12] не позволяют достаточно эффективно решать задачи обнаружения, локализации и идентификации подповерхностных объек-

тов, поскольку не учитывают многослойность и диэлектрические свойства слоев сред. Поэтому методы, нашедшие широкое применение в ряде промышленно выпускаемых ПР (см. стр.14, 15) и использующиеся для анализа принятой информации, требуют существенной доработки, исследования и развития.

В связи с этим, актуальны задачи разработки методов обработки информации при ПЗ, позволяющих эффективно решать задачи обнаружения, локализации и идентификации подповерхностных объектов; алгоритмизации и практической реализации этих методов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью диссертации является исследование и разработка методов, моделей и алгоритмов обработки информации при ПЗ и их' программная реализация.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

- разработка моделей слоистых сред (СС) с потерями и сигналов, отраженных от объектов в СС;

- разработка методов обработки информации при ПЗ, позволяющих решать задачи обнаружения и локализации подповерхностных объектов, повышения разрешающей способности ПР по продольным координатам и глубине;

- алгоритмизация существующих и разработанных методов и практическая реализация в виде пакета программ обработки информации (ППОИ) ПР;

- экспериментальное исследование моделей и методов обработки информации на базе разработанных при участии автора Г1Р.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Использовались методы вычислительной математики, теории функции комплексного переменного, спектрально - корреляционного анализа, матричной алгебры, теорий системного и структурного программирования, основ машинной графики. Проводились программирование, машинное моделирование и расчеты, натурные экспериментальные исследования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

-применительно к задачам подповерхностного зондирования разработана новая математическая модель прохождения и отражения электромагнитных сигналов в слоистых средах с потерями;

-разработаны алгоритмы формирования отраженных сигналов от объектов в слоистых средах с потерями;

-разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать отклик объектов, находящихся в слоистой среде с потерями, на электромагнитные зондирующие сигналы;

-разработаны метод и алгоритм синтеза апертуры, учитывающие параметры слоистой подповерхностной среды и повышающие разрешающую способность подповерхностного радара по продольным координатам;

-разработаны метод и алгоритм инверсной фильтрации с калибровкой аппаратной функции подповерхностного радара по проводящей сфере, повышающие разрешающую способность по глубине;

-разработаны метод и алгоритм нелинейного динамического квантования сигнала цветовой гаммой, увеличивающие эффективность отображения информации при подповерхностном зондировании и позволяющие выделять контура подповерхностных слоев и объектов;

-разработан программный пакет обработки информации под-' поверхностного радара, позволяющий локализовывать подповерхностные объекты в слоистых средах с потерями, выделять контура подповерхностных объектов и границ раздела слоев среды.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

В диссертации решены задачи повышения эффективности обработки данных при подповерхностной локации электромагнитными импульсами малой длительности. Разработан программный пакет обработки геофизических данных "Geo-Data for Windows", конкурентоспособный на российском и мировом рынках, и используемый

для обработки информации, получаемой подповерхностными радарами.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом ФЦП "Интеграция" Нижегородского государственного технического университета; НИР,ОКР Нижегородского научно-исследовательского приборостроительного института (ННИПИ) "КВАРЦ", НТП "ТЕНЗОР", Правдинского завода радиорелейной аппаратуры (1ТЗРА).

Разработанное программное и аппаратное обеспечение прошло экспериментальную апробацию и нашло практическое применение в городах: Н. Новгород, Правдинск, Москва, Саратов, Чита.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные научные положения и технические аспекты диссертации были отражены в докладах на:

1. Региональной научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", Академии технологических наук РФ (Верхне Волжское отделение), г. Н. Новгород, НГТУ, 19 июня 1996 г.

Доклад: "Методы обработки сигналов видеоимпульсного радара".

2. 14-ой Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", Академии Народного хозяйства, г. Москва, РОНКТД, 23-26 июня 1996 г.

Доклад: "Аппаратно-программный комплекс для подповерхностного зондирования электромагнитными импульсами".

3. Всероссийской конференции "Высокие технологии в радиоэлектронике", Академии технологических наук РФ (Верхне - Волжское отделение), г. Н. Новгород, НГТУ, 8-10 октября 1996 г.

Доклад: "Аппаратно-программный комплекс видеоимпульсного радара для подповерхностного зондирования".

4. Научно-технической конференции "Проблемы повышения эффективности вооружения, военной техники и подготовки специалистов в интересах войск ПВО", Академии технологических наук РФ (Верхне - Волжское отделение), г. Н. Новгород, НВЗРКУ ПВО, 8-10 октября 1997 г.

Доклад: "Подповерхностные радары для локации объектов электромагнитными импульсами и их применение".

5. Международном конгрессе CITOGIC'98 "Новые высокие технологии для газовой, нефтяной промышленности энергетики и связи", г. Казань, Татарстан, 16-20 июня 1998 г.

Доклад: "Системы электромагнитного зондирования сред при прокладке и эксплуатации нефтяных и газовых коммуникаций".

Разработанный на основе диссертационной работы программный пакет "Geo-Data for Windows" многократно и успешно исполь-

зовался при проведении полигонных испытаний и реальных измерений различными комплексами подповерхностных радаров.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные аспекты и результаты диссертации опубликованы в семи работах, еще две работы находятся в печати.

ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 140 стр. машинописного текста, из них 106 стр. основного содержания, 45 рисунков на 36 стр., 12 таблиц на 10 стр., список используемых сокращений на 2 стр., список литературы на 9 стр.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Математическая модель прохождения электромагнитных сигналов в слоистых средах с потерями.

2. Метод повышения точности определения местоположения объектов по глубине при подповерхностном зондировании слоистых сред.

3. Метод и алгоритм синтеза апертуры, учитывающие параметры слоистой подповерхностной среды.

4. Метод и алгоритм инверсной фильтрации с калибровкой аппаратной функции подповерхностного радара по проводящей сфере.

5. Метод и алгоритм нелинейного динамического квантования сигнала цветовой гаммой; выделение контуров подповерхностных слоев и объектов.

6. Результаты моделирования отражений сигналов от слои-стойсреды.

7. Результаты проведенных экспериментальных измерений.

8. Результаты использования разработанного программного обеспечения подповерхностного радара для решения практических задач.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ПОДПОВЕРХНОСТНОМ ЗОНДИРОВАНИИ

В главе рассмотрены существующие методы обработки информации при ПЗ сред. Описаны модели, учитывающие свойства однородных сред. Приведен возможных! подход к моделированию отражений от простейших объектов, расположенных в однородной среде.

На основании аналитического обзора литературных источников сформулированы задачи диссертационной работы.

1.1. Ретроспективный анализ и задачи обработки информации при подповерхностном зондировании

/

Физический принцип, на котором основана работа радиолокационной системы, впервые был продемонстрирован Герцем в 80-х годах прошлого века. Первое использование электромагнитных сигналов для определения присутствия удаленных наземных объектов приписывают Хельмейеру (1904 г.) В дальнейшем методы подповерхностного электромагнитного зондирования совершенствовались, и в 1926 г. Халсенбек впервые использовал импульсный метод для определения структуры объектов под землей. Он заметил, что любые изменения в диэлектрике, не обязательно проводимость, будут также создавать отражения и что этот метод, благодаря более легкой возможности реализации направленных источников, имеет преимущество над сейсмическим [1]. В следующие 50 лет импульс-

ная техника широко развивалась как средство для зонднрования на большие глубины во льду, пресной воде, залежах соли, в пустыне и скалах. В начале 70-х, при развитии исследований луны интерес к теме электромагнитного ПЗ усилился. Метод электромагнитной геолокации более подходил для этих целей, чем контактный сейсмический [1,5,6,10].

На настоящее время существует ряд промышленных приборов, использующих для обнаружения подповерхностных объектов метод зондирования электромагнитными импульсами.

За рубежом одной из первых систем поверхностного зондирования (СПЗ) является система Terrascan фирмы Microwave Assaciates, предназначенная для обнаружения труб и кабелей. Широко известны ПР фирмы Geophysical Surveys Systems Inc. SIR (Subsure Interface Radar) (США). Этой фирмой выпускается более, пяти различных СПЗ с различной длительностью зондирующих сигналов (средняя частота спектра зондирующего сигнала (ЗС) от 80 до 900 МГц, длительность ЗС от 1 до 6 не). Другая известная система - импульсный георадар System IV (центральные частоты спектра (ЦЧС) ЗС: 120, 350 и 700 МГц) фирмы Radar Exploration System (США). Система используется для зондирования угольных пластов на глубину до 15 метров. Кроме вышеуказанных, можно отметить импульсный георадар Georadar YL-R2 японской корпорации OYO с ЦЧС ЗС 120 МГц, и георадар фирмы A-Cubed Inc. (Канада) с ЦЧС ЗС 50 и 100 МГц, использующиеся в области инженерной геологии [5].

/ , 1 - 15 -

В ближнем зарубежье Латвийской фирмой Radar Inc. (г. Рига)

выпускается СПЗ Zond System 12 с ЦЧС ЗС: 25-1 50, 300, 500 и 900 МГц.

В России известны следующие фирмы, выпускающие оборудование для ПЗ электромагнитными импульсами:

- НПП "ЛОКАС" (г. Москва), выпускающее вместе с ПЗРА (г. Правдинск) радары с длительностью ЗС 10 не (100 МГц) в двух вариантах: мобильном - ЛОКАС2, ЛОКАС2М (на самоходном шасси автомобиля ЗИЛ-131) и пешеходном ЛОКАСЗП;

- ТОО "ЛОГИС", совместно с НИИ Приборостроения (г. Жуковский) производящее георадары с ЦЧС ЗС: 250, 700 и 1300 МГц [9];

- НПП АО "СПЕКТР" (г. Санкт-Петербург), выпускающее им-7 пульсный георадар Georadar с ЦЧС ЗС 10 ГГц;

- ННИПИ "КВАРЦ" (г. Н. Новгород), совместно с ПЗРА (г. Правдинск) выпускающий IIP с длительностью ЗС: 1, 3, 8 не (ЦЧС ЗС: 1000, 330, 125 МГц соответственно) [7];

- НТП "ТЕНЗОР" (г. Н. Новгород), производящее радары с длительностью ЗС: 50, 100, 200 пс, 0.5, 1, 4, 10 не (ЦЧС ЗС: 18, 10, 5 ГГц и 2000, 1000, 250, 100 МГц соответственно) [8].

ПР выпускаются также и другими фирмами. Перечисленные приборы предназначены для электромагнитного зондирования с поверхности земли или границы раздела сред.

Для поиска объектов под землей, кроме импульсного электромагнитного, известны и другие методы. К альтернативным методам относится геофизический метод измерения сопротивления, магнитометрическое топографирование, а также метод низкочастотной индукции для обнаружения локализованных в верхнем слое металлических объектов или более глубоко расположенных металлических труб и кабелей. По сравнению с каждым из них электромагнитный метод имеет свои преимущества и свои недостатки. К преимуществу электромагнитного метода следует отнести возможность быстрого зондирования и независимость от природы объектов (метод позволяет детектировать как металлические, так и диэлек^ трические объекты).

Принцип действия ПР основан на зондировании импульсными сигналами наносекундной и пикосекундной длительности, стробо^ скопическом способе регистрации отраженных сигналов, преобразовании их в цифровую форму с последующей передачей для обработки в персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ).

На рис. 1.1. в общем виде представлен комплекс ПР [8]. Он содержит следующие блоки: ПЭВМ типа Notebook, регистратор, выносной блок преобразователя (Преобр.), генератор зондирующего сигнала (ГИ - генератор импульсов), передвижной блок антенн. Регистратор управляет преобразователем и генератором и обеспечивает связь с компьютером посредством интерфейса RS - 232 со скоростью обмена данными до 1 15200 бод. Выносной блок преобразователя предназначен для усиления и преобразования входного ши-

рокополосного сигнала в низкочастотную копию. Генератор формирует сигналы в виде одного периода синусоиды. Передающая и приемная антенны, предназначены для излучения с в е р х ш и р о к о п о-л о с но г о сигнала и приема сигналов, отраженных от подповерхностных объектов. Возможен также одно-антенный вариант - с общей п р и е м о - п е р е д а ю щ е й

1^-232

Рис. 1.1. Комплекс подповерхностного радара

антенной. Как правило, генератор и выносной блок преобразователя устанавливаются в передвижной блок антенн и составляют с ним единое целое.

Выявление неоднородных неподвижных предметов или слоев грунта производится путем перемещения антенн вдоль одной координаты. Результаты зондирования после простейшей обработки (или в необработанном виде) записываются на тот или иной носитель информации (фотопленку, магнитофон, накопитель на гибком магнитном диске или непосредственно на жесткий накопительИГПЗВМ, как в случае, изображенном на рис. 1.1). После сбора необходимой информации производят более детальную обработку полученных

;.: ■• [Ь

данных. Обработка осуществляется на ПЭВМ при помощи специальных ППОИ ПР.

В отличие от радиолокации в воздушной среде (например: [23,24]), где основными параметрами, измеряемыми радаром, являются угловое положение, дальность, скорость и отражательная способность объекта, при ПЗ неоднородных неподвижных объектов основными измеряемыми параметрами являются глубина залегания, отражательная способность подповерхностных объектов и ПС. Существенные отличия в законах распространения сигналов в зондируемой среде вследствие наличия значительных потерь в диэлектрических слоях не позволяют использовать традиционные радиолокационные системы и методы обработки информации для задач ПЗ [1, 3, 5 - 7, 9, 10, 12, 13, 15 - 22, 25]. При этом решающими являются следующие факторы:

- наличие слоев с резкими изменениями диэлектрической проницаемости (воздух-грунт, плодородный слой-глина, глина-песок) приводит к реверберации ЗС и искажению отраженных сигналов;

- частотно-зависимые потери искажают ЗС (эти искажения тем больше, чем больше путь, пройденный сигналами в среде);

- используемые для зондирования антенны имеют сравнительно небольшие размеры и обладают малой разрешающей способностью по продольным координатам;

- при ПЗ регистрируются мгновенные значения сигналов, а не огибающие радиоимпульсных сигналов, что во многих случаях осложняет интерпретацию рефлектограмм. Эти факторы затрудняют обнаружение объектов и слоев, приводят к потере разрешающей способности ПР, чем и обуславливают специфику задачи ПЗ. Рассмотрим причины указанных осложнений.

Возможность обнаружения объектов и слоев ПР определяется его энергетическим потенциалом, равным отношению амплитудных значений принятого полезного сигнала к шумам и помехам. Значительное затухание электромагнитного сигнала в средах [1, 3, 5-7] вызывает необходимость использования в ПР наибольших, технически реализуемых, амплитудных значений сигнала. Поэтому актуальной является задача обработки сигнала с целью минимизации шумов и помех.

Разрешающая способность ПР но продольным координатам определяется шириной диаграммы направленности его антенн. Сужение диаграммы направленности антенн влечет за собой увеличение их габаритных размеров и массы. Поэтому в ПР используют антенны небольших размеров, которые при перемещении по площади зондируемого участка формируют апертуру антенны, требуемых размеров и формы. Информация, принятая такой антенной, запоминается и, после измерений, требует обработки специальными методами [1 - 3, 5, И, 13, 15, 26, 27].

Разрешающая способность ПР по координате глубины определяется длительностью ЗС и свойствами исследуемой среды. Для

улучшения разрешения формируют ЗС малой длительности (до 100 пс - предел технических возможностей). Уменьшение длительности ЗС влечет за собой уменьшение диапазона дальности зондирования, обусловленное свойствами сред. Поэтому принятая информация требует дополнительной обработки, позволяющей провести искусственное сжатие ЗС [2, 5, 9, 10, 1 8, 28 - 33].

Сигналы, принимаемые ПР, для интерпретации последовательно отображают в виде рефлектограмм (см. рис. 1.2). Такое представление информации понятно только специалисту и не всегда поддается расшифровке. Поэтому актуальной является задача разработки методов отображения информации, позволяющих представить ее в удобном для интерпретации виде.

Разработка указанных методов и алгоритмов обработки информации ПР и исследование их эффективности, в свою очередь, требуют разработки моделей сигналов, отраженных от объектов в ПС с потерями.

Ъ

С

X

24-

Хй,2ц- координаты залегания подповерхностного объекта (70=0); 2, н 2^1 - задержки сигнала, отраженного от объекта.

Рис. 1.2. Рефлектограмма формирования профиля подповерхностного объекта.

Таким образом, при регистрации и обработке сигналов в ПЗ важными являются следующие задачи:

- выделение сигналов из шумов и помех;

- моделирование сигналов, отраженных от подповерхностных объектов и слоев сред;

- улучшение разрешающей способности по продольным координатам и глубине;

- отображение информации в удобном для интерпретации виде.

Первая задача частично реализуется аппаратно: оптимальным выбором передающей и приемной антенн [34 - 4 1], правильным выбором разрядности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) [42], накоплением сигналов. Если сигнал наблюдается на фоне белых шумов, то накоплением N реализаций можно улучшить отношение'

сигнал/шум в -Лу раз.

Остальные задачи реализуются программными средствами. Рассмотрим существующие в настоящее время методы обработки информации, предназначенные для решения этих задач.

1.2. Расчет сигналов, отраженных от подповерхностных сред и

объектов.

Рассмотрим существующие подходы к решению задачи моделирования сигналов, отраженных от подповерхностных сред и объектов.

Подповерхностная среда представляет собой многослойный неоднородный диэлектрик. Потери электромагнитного сигнала в ПС можно описать следующим образом [43]:

д и г @и он у

где в - удельная мощность общих потерь, вскв - мощность потерь на электропроводность, вд- мощность потерь дипольных релаксаций, 0рез - мощность резонансных потерь, вмиг - мощность миграционных потерь, вион, - мощность ионизационных потерь.

В зависимости от свойств среды и частоты зондирования некоторые из этих компонент могут либо полностью отсутствовать, либо их значением можно пренебречь.

При рассмотрении электродинамической задачи анализа отра>-жений от различных тел в средах с потерями возникает проблема выбора метода анализа. Ввиду сложности решения задачи дифракции электромагнитных волн в ПС в высокочастотной и резонансной областях прямыми методами, применяются эвристические методы такие, как геометрическая и физическая оптика, геометрическая и физическая теории дифракции и др. Наибольшей точностью и универсальностью обладают численные методы, но они могут быть реализованы на ЭВМ с большой памятью и быстродействием. Точность численного решения задачи расчета отражений от тел в значительной мере утрачивается из-за того, что параметры среды известны приближенно. Поэтому используют приближенные методы анализа.

Среди многочисленных приближенных методов наиболее подходящим для анализа импульсного отклика от тел оказывается приближение Кирхгофа, приводящее к достаточно простым выражениям. Приближение Кирхгофа можно дополнить множителем, учитывающим коэффициент отражения от материала:

где scp, sm - действительная часть (ДЧ) комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) среды и тела.

При таком дополнении приближение Кирхгофа справедливо не только для металлических тел (для них ет оо,Г = -1), но и для диэлектрических. В этом случае приближение Кирхгофа переходит в приближение Борна.

Приближение справедливо в широком диапазоне частот для тел различной формы и из различных материалов. Наиболее велика погрешность применяемых формул в резонансной области, поскольку приближение Борна не учитывает переотражения в диэлектрике, приводящие к резонансам. Приближение Кирхгофа не учитывает также ползущие волны, которые могут вносить существенный вклад в области резонансных частот.

Учесть частотно-зависимые потери при отражении и распространении электромагнитных волн в однородной среде позволяет

Г

(1.1)

введение в выражение (1.1) вместо ДЧ КДП, полных КДП среды и тела, описывающихся моделью Дебая:

<]со) = е№+ , (1.2)

где е0, е„ - диэлектрические проницаемости на низких и высоких частотах, г^ - время релаксации.

Для учета проводящих свойств однородной среды модель Дебая дополняют компонентой, учитывающей проводимость о [6, 43]:

1 + С02Т*

<отю{£ь -£х) + а

1 + <х>гт1 ГЩ

(1.3)

где £0, £п - диэлектрические проницаемости на низких и высоких частотах, тш - время релаксации, а - проводимость, £Ъ - 8,85' Ю"12 ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума.

В диапазоне 1, ... 18ГГц у наиболее распространенных сухих почвогрунтов мнимая составляющая КДП не превышает 0,0 5 (¿"г ^ 0,05), а действительная часть лежит в пределах 2 < е < 4 и при обычной плотности твердой основы почвы ро = 2,65...2,75 г/см3 может быть представлена приближенной зависимостью [6]:

е\ = (1 + 0,44/?о)2 - 0,062.

КДП сухого почвогрунта:

£г=£]г + }£11г (1.4)

Значения ДЧ КДП, проводимости и объемной плотности некоторых сред приведены в табл. 1.1, 1.2 [4, 44, 45].

Следует отметить, что КДП слоя грунта является сложной

I

функцией температуры, содержания в нем влаги [6, 46, 47], содержания солей, примесей и других составляющих.

Полуэмпирическое выражение для КДП увлажненного грунта, представленного четырех компонентной смесью (твердая порода, связанная, свободная вода и воздух) солености 0 <5 < 35%о, имеет вид [6]:

= 1 + р[£та - 1]/р0 + рьте1 - ря, ■ (1.5)

где рт = Ув / V - объемная влажность почвогрунта;

¥в и V - объем воды и общий объем образца;

р - объемная плотность почвогрунта (см. табл. 1.2);

р0 - объемная плотность твердой породы;

а и Ь - эмпирические показатели степени, согласующие ап-проксимационную зависимость (1.5) с экспериментальными данными,

Ъ = 1,09 - 0,00 1 111 + 0,001 8Г, П и Г - относительные объемные содержания песка и глины (оставшаяся часть (100-П-Г)% определяет содержание органических веществ),

а = 0,65;

еТ - КДП сухого почвогрунта (1.4);

е& - КДП воды с учетом наличия растворенных минеральных добавок ( 1.3);

= 4,9;

£0 = (87,134-0,195/ - 1,276 '10"2 /2 + 2,491'Ю"4 (г ) •

• (1 + 1,613-Ю-5 /5-3,656' 1 0"35 + 3,2Г10'552-4,23'10"753);

^(%о) - соленость, /(°С) - температура, а - ионная проводимость воды с соленостью я(%о) при температуре /(°С):

сг = ^[0,183-1,462'10"35 + 2,093' 1 О"5«2- 1,282' 1 0"753] •

• ехр (-А/ [2,033' 1 О"2 + 1,266" 1 0"4А/ + 2,464'1 0"бА/2 -

- 5(1,849'10"5-2,551'10"7Л/ + 2,5 5 1' 1 О"8 А/2)]), где А/ = 25° -./;

Гд, - время релаксации, при температуре /(°С):

та= 1,111-10"10 - 3,824'10"12/+6,938'10"14/2-5,096'10"16/3.

Модель КДП (1.5) наиболее полно учитывает потери в однородном почвогрунте и согласована с экспериментальными данными.

Перейдем к рассмотрению моделей сигналов, отраженных от объектов.

Е. Кенно и Д. Моффатом показано, что при облучении металлического тела плоской электромагнитной волной ИХ отражения приближенно определяется выражением [48, 49, 50]:

Таблица. 1.1.

Среда Проводимость Относительная

С/м диэлектрическая проницаемость, ег

Воздух 0 1

Пресная вода 10"4 - 3 *10"2 81

Морская вода 4 - 5 81-88

Лед из пресной воды 1(Г4 - 10"2 4

Лед из морской воды 10"2 - ю-1 4 - 8

Снег плотный 10"6 - 10'5 1, 4

Гранит 10"9 - 10"3 8

Сухой песок 10"7 - 10"3 4 - 6

Мокрый песок 10"4 - Ю"2 30

(пресная вода)

Глина 10"1 - 1 8 -12

Плодородный слой ю:4 - ю-2 12

Таблица 1.2.,

Среда Объемная плотность, кг/м3

Асфальт 2120

Бетон с каменным щебнем, весовая влаж- 2000

ность 8%

Бетон сухой 1600

Вода пресная 998.23

Вода морская 1010-1030

Глина, весовая влажность 15-20% 1600-2000

Гравий воздушно-сухой 1 840

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Терешенков, Дмитрий Александрович

ВЫВОДЫ Разработан программный пакет, позволяющий решать широкий круг задач обработки информации ПР: улучшать разрешающую способность ПР по продольным координатам (3.13 - 3.21) и глубине (3.24, 3.2 5), отображать данные в виде двухмерных и трехмерных проекций, выделять контура подповерхностных объектов и слоев

- 123 см. п.4.2), осуществлять адаптивный пересчет координат глубины в СС (3.9) и пр. (см. п.4.1).

2. В результате экспериментальных исследований предложены метод и алгоритм нелинейного динамического квантования сигнала цветовой гаммой, увеличивающие эффективность цветового отображения информации при ПЗ и позволяющие выделять контура подповерхностных слоев и объектов.

3. Экспериментально подтверждена эффективность применения разработанного метода синтеза апертуры, учитывающего параметры СС.

4. Подтверждена эффективность применения разработанного метода инверсной фильтрации отраженных сигналов, с калибровкой АФ ПР по сферическому проводящему радиолокационному отражателю.

5. Разработанное программное обеспечение апробировано при проведении экспериментальных работ и внедрено в комплектацию промышленно - выпускаемых ПР.

- 124 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Применительно к задачам подповерхностного зондирования разработана новая математическая модель прохождения и отражения электромагнитных сигналов в слоистых средах с потерями, на основе которой разработаны алгоритмы формирования отраженных сигналов от подповерхностных объектов.

2. Разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать отклик объектов, находящихся в слоистой среде с потерями, на электромагнитные зондирующие сигналы произвольной формы.

3. Разработаны метод и алгоритм синтеза апертуры, учиты-^ вающие параметры слоистой подповерхностной среды и повышающие разрешающую способность подповерхностного радара по продольным координатам.

4. Разработаны метод и алгоритм инверсной фильтрации отраженных сигналов, с определением аппаратной функции подповерхностного радара по проводящей сфере, повышающие его разрешающую способность по глубине.

5. Разработан метод, уменьшающий погрешность определения местоположения объектов по глубине, использующий априорные и экспериментальные сведения о параметрах слоев зондируемой среды.

6. Разработаны метод и алгоритм нелинейного динамического квантования сигнала цветовой гаммой, увеличивающие эффективность цветового отображения информации при подповерхностном зондировании и позволяющие выделять контура подповерхностных слоев и объектов.

7. Разработан программный пакет обработки информации подповерхностного радара, позволяющий локализовывать подповерхностные объекты в слоистых средах с потерями, выделять контура подповерхностных объектов и границ раздела слоев среды.

8. Приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих работоспособность разработанных подповерхностных радаров, методов, алгоритмов и программ.

9. Разработанное программное и аппаратное обеспечение прошло экспериментальную апробацию и нашло практическое применение в городах: Н. Новгород, Правдинск, Москва, Саратов, Чита.

- 126

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АФ - аппаратная функция

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

ГИ - генератор импульсов

ДПФ - дискретное преобразование Фурье

ДЧ - действительная часть

ЗС - зондирующий сигнал

ИХ - импульсная характеристика

КДП - комплексная диэлектрическая проницаемость

ПЗ - подповерхностное зондирование

ППОИ - пакет программ обработки информации

ПР - подповерхностный радар

ПС - подповерхностная среда

ПЭВМ - персональная электронная вычислительная машина

СПЗ - системы подповерхностного зондирования

СС - слоистая среда

ЦЧС - центральная частота спектра

BMP - bitmap (графический формат данных)

DLL - dynamic link library (библиотека функций обработки)

DZT - data zero transformation (формат исходных данных)

EXE - execution (формат исполняемого файла)

F[*] - операция прямого ДПФ

F1[*] - операция обратного ДПФ

- 127

HDD - hard disk drive (жесткий диск ПЭВМ)

TMP - template (файл для временного хранения данных)

V. - version (версия)

Щ>. . -.-„г-г-. т. .г V-.-■;■:■ .„ррг Г!':"!' i | ' " Ч• ' . ''М „ ' ' - > ! : '^'Г

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Терешенков, Дмитрий Александрович, 1998 год

- 128 -ЛИТЕРАТУРА

1. Daniels D.J., Gunton D.J., Scott H.F. Introduction to subsurface radar. // IEE Proceedings.- Vol.135.- Pt.F.№ 4,- August ' 1988. -P. 278 - 316.

2. Osumi N., Deng, Ueno K., Beng, MSc. Detection of buried plant. // IEE Proceedings. - 1988,- V.135, Pt.F, № 4. - P.330-342.

3. Oswald G.K.A. Geophysical radar design. // IEE Proceedings. - 1988. - V.135, Pt. F, № 4. - P.371 - 379.

4. Operation manual subsurface interface radar Sir System 8. /Geophysical Survey System's Inc. #MN80-502 // Rev. C. Hudson.-U.S.A.- 1988,- 87 P.

5. Строителев В.Г. Методы обработки сигналов при подповерхностном радиолокационном зондировании. // Зарубежная ра-^ диоэлектроника. - 1991. - № 1. - С. 95 - 10 5.6. Андреев Г.А., Заенцев Л.В., Яковлев В.В. Радиоволновые

системы подповерхностного зондирования. // Зарубежная радиоэлектроника. -1991.- № 2. - С. 3 - 22.

7. Андриянов А.В., Горячев В.М., Курамшев С.В., Писарев Б.В., Седов В.П., Терешенков Д.А. Аппаратно - программный комплекс для зондирования приповерхностных слоев земли. // Приборы и техника эксперимента. - 1996. - № 5. - С. 157 -158.

8. Терешенков Д.А. Аппаратно - программный комплекс видеоимпульсного радара для подповерхностного зондирования. // Вестник ВВО АТН РФ. - 1997,- № 1(3).- С. 2 1-24.

- 129 -

9. Помозов В., Семейкин П., Семейкин Ю., Никифоров А., По-цеиия О., Флорииский В. Георадар. // СТА (современные технологии автоматизации). - 1997. - № 1. - С. 88 - 92.

10. Применение цифровой обработки сигналов. 7 Под ред. Оп-иенгейма А.В. // М.: Мир, 1980,- 552 с.

11. Iunkin G., Anderson А.P. Limitations in microwave holographic synthetic aperture imaging over a lossy half-space. // IEE Proceedings. - 1988.-V.135, Pt.F, № 4. - P.32 1-329.

12. Чжань Л.Ч., Моффэт Д.JI., Питере Л. Определение характеристик подповерхностных радиолокационных объектов. // ТИИЭР. - 1979,- т.67, № 7. - С. 18 - 28.

13. Андриянов А.В., Терешенков Д.А. Методы и алгоритмы обработки информации при подповерхностном зондировании электромагнитными импульсами. // Вестник ВВО АТН РФ. - 1996.-/' № 1(2). - С. 1 1 - 14.

14. Андриянов А.В., Терешенков Д.А. Программная обработка информации при подповерхностном зондировании и примеры ее применения. // Вестник ВВО АТН РФ. - 1996,- № 1(2).- С. 15-18.

15. Панько С.П. Сверхширокополосная радиолокация. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1991. - № 1. - С. 106 - 114.

16. Olver A.D,, Cuthbert L.G. FMCW radar for hidden object detection. // IEE Proceedings. - 1988. - V.135, Pt.F, № 4. - P. 354 -361.

17. Caldecott R., Poirier M., Scofea D., Svoboda D.E., Terzuoli A.J. Underground mapping of utility lines using impulse radar. // IEE Proceedings. - 1988. - V.135, Pt.F, № 4,- P. 343 - 353.

- 130 -

18. Chignell R.J., Jackson P.A., Madani K. Early developments in ground - probing radar at ERA Technology Ltd. // IEE Proceedings.

- 1988. - V. 135, Pt.F, № 4. - P. 362 - 370.

19. Барелл Дж., Питере JI. мл. Распространение низкочастотных видеоимпульсов в средах с потерями. // ТИИЭР. - 1979. - т.67, № 7. - с. 6 - 17.

20. Дайнис К.А., Лаитл Р. Дж. Машинная томография в геофизике. // ТИИЭР. - 1979. - т.67, № 7. - с. 103 - 112.

21.Рэдклифф Р.Д., Баланис И.А. Геофизические применения алгоритмов восстановления в присутствии шумов. // ТИИЭР. - 1979.

- т.67, № 7. - с. 98 - 102.

22. Jaureguy М., Borderies P. Modelling and processing of ultra wide band scattering of buried tragets. // IEE. - 1996. - Detection of abandoned land mines. Conference Publication № 431. - P. 119 - 123.

23. Арсенов C.M., Пасмуров А.Я. Алгоритмы обработки сигналов в системах радиолокационных изображений летательных аппаратов. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1991. - № 1. с. 71 - 83.

24. Фархат Н.Х. Формирование радиолокационных изображений методом разнесения в диапазоне СВЧ и автоматизированная идентификация целей, основанная на использовании моделей нейронных сетей // ТИИЭР. - 1989. - т.77, № 7. - с. 43 - 56.

25. Анкудинов В.Е., Романов Е.А. Методы теоретического определения сверхширокополосных радиолокационных характеристик целей. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1991. - № 1. - С. 6 - 22.

- 131 -

26. Radan ™. Instruction manual. /Geophysical Survey Systems Inc. Manual #MN43-101 // Rev. C. Release №.2.0. Hudson.- U.S.A. -1988. - 60 P.

27. Stickley G.F., Longstaff I.D., Radcliffe M.J. Synthetic aperture for the detection of shallow buried objects. // IEE. - 1996. -Detection of abandoned land mines. Conference Publication № 43 1. -P. 160 - 163.

28. Андриянов А.В., Санников M.B. Коррекция аппаратной функции импульсного рефлектометра пикосекундной длительности. // Техника средств связи. Радиоизмерительная техника. - 1991. -№3. - С. 77 - 82.

29. Василенко Г.И. Теория восстановления сигналов. // М.: Советское радио. - 1979. - С. 69 - 81.

30. Андриянов А.В. Применение методов гомоморфной фнльт-" рации в некоторых задачах .измерительной техники. // Метрология.

- 1978. - № 8.- С. 14 - 20.

31. Андриянов А.В., Захтаренко B.C., Чепурнов А.В. Методы автоматизированных измерений параметров цепей и трактов во временной области. // Техника средств связи. Радиоизмерительная техника. - 1982. - №1,2. - С. 1 - 32.

32. Андриянов А.В., Зуев А.Б. Применение метода линейного предсказания для повышения разрешающей способности импульсных измерительных систем. // Техника средств связи. Радиоизмерительная техника. - 1981. - №2. - С. 20 - 24.

- 132 -

33. Андриянов A.B., Крылов B.B. Способ коррекции выходного сигнала измерительных приборов. // Измерительная техника.-1975. - №4. - С. 59 - 61.

34. Андриянов A.B., Глебович Г.В., Введенский Ю.В., Ковалев И.П., Крылов В.В., Рябинин Ю.А. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов. /Под редакцией Глебовича Г.В.// М.: Радио и связь. - 1984. - 256 с.

35. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. /Под редакцией Воскресенского Д.И. //' М.: Радио и связь. - 1994. - 592 с.

36. Кочержевский Г.П., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства: Учебник для вузов. // М.: Радио и связь. -1989. - 359 с.

37. Лавров Г.А., Князев A.C. Приземные и подземные ан-/' тенны. // М.: Советское радио. - 1965. - 472 с.

38. Сверхширокополосные антенны. Пер. с англ. Попова C.B. и Журавлева В.А. /Под редакцией Бененсона Л.С. // М.: Мир. -1964.-416с.

39. Зернов Н.В., Меркулов Г.В. Антенны в режиме излучения (приема) сверхширокополосных сигналов. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1991. - № 1. - с. 84 - 94.

40. Астанин Л.Ю., Просыпкин С.Е., Степанов A.B. Аппаратура и средства для широкополосных измерений радиолокационных характеристик. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1991. - № 1. -с. 115 -123.

41. Стрюков Б.А. и др. .Короткоимпульсные локационные системы. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1989. - № 8. - с. 42 -59.

42. Андриянов A.B., Шпак И.И. Цифровая обработка информации в измерительных приборах и системах. // Минск: "Вышэйшая школа".- 1987,- С.5-171.

43. Электрорадиоматериалы. / Под ред. Тареева Б. // М.: "Высшая школа". - 1978. - С.108-144: ;

44. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике.// М.:Наука. - 1975. - С. 40.

45. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х книгах. Кн. 1. /Под ред. Клюева В.В. // М.: Машиностроение. - 1986. - С. 488

46. Пчельников Ю.Н., Елизаров A.A. Применение замедляющих систем для радиоволнового контроля влажности материалов. //"' Измерительная техника. - 1995,- № 7. - С. 61 - 63.

47. Ананьев В.П., Предельскхтй JI.B. Инженерная геология и гидрогеология: Учебник для вузов-// М.: Высшая школа. -1980.-С. 271.

48. Кеннауч Е.М., Моффетт Д.Л. Аппроксимация переходных и импульсных переходных характеристик. // ТИИЭР. - 1965. - т.53, № 18. - С.1024.

49. Кононов А.Ф. Применение томографических методов для получения радиолокационных изображений объектов с помощью широкополосных сигналов. // Зарубежная радиоэлектроника. 1991.- № 1. - С. 35 - 49.

- 134 -

50. Cloude S.R., Milne A., Thornhill C., Crisp G. UWB SAR detection of dielectric targets. // IEE. - 1996. - Detection of abandoned land mines. Conference Publication № 431. - P. 114 - 118.

51. Куньму Чжэнь, Уэстморлэнд Д. Импульсная характеристика проводящей сферы, полученная методом разложения в окрестности особых точек. // ТИИЭР. - 1981.- т.69, № 6. - С. 79 - 82.

52. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. // М.: Советское радио. - 1975. - С. 101 - 108.

53. Кеннох. Рассеяние коротких электромагнитных импульсов на проводящей сфере.// ТИРИ. - 1961. - т.49, № 1 - С. 398 - 399.

54. Просыпкин С.Е., Кукушкин С.П. Алгоритм расчета комплексной функции рассеяния металлической сферы. // Измерительная техника. - 1996. - № 7 - С. 49 - 54.

55. Воднев В.Г., Наумович А.Ф., Наумович Н.Ф. Математиче-/ ский словарь высшей школы../Под ред. проф. Богданова Ю.С. // М.: МПИ - 1988. - С. 61 - 63.

56. Нельсон Росс. Running Visual Basic 3.0 for Windows. Пер. с англ. Купцевича Ю.Е.// М.: Русская редакция ТОО Chanenel Trading Ltd. - 1995. - 384 с.

57. Сван Том. Программирование для Windows в Borland С ++. Пер. с англ.Тимофеева В.В. // М.: Бином. - 1995. - С. 413 - 435.

58. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования Си. Пер. с англ. Штаркмана B.C. // М.: Финансы и статистика. - 1992. - 272 с.

59. Бочков С.О., Субботин Д.М. Язык программирования Си для персонального компьютера. // М.: СП Диалог, Радио и связь. -1 994. - 384 с.

- 135 -

60. Рассохин Д.H. От С к С + +, il M.: Эдэль. - 1993. - 128 с.

61. Бабэ Бруно. Просто и ясно о Borland С + + . Пер. с англ. Тимофеева В.В. // М.: Бином. - 1995. - С. 1 - 167.

62. Андриянов A.B., Терешенков Д.А., Шаров H.H. Методы обработки сигналов видеоимпульсного радара. Тезисы докладов региональной НТК "Методы и средства измерений физических величин". Н. Новгород: НГТУ,- 1996. - С, 13.

63. Андриянов A.B., Курамшев C.B., Ковалевский В.М., Терешенков Д.А. Аппаратно - программный комплекс для подповерхностного зондирования электромагнитными импульсами. Тезисы докладов 14-ой российской НТК "Неразрушающий контроль и диагностика". М.: РОНКТД. - 1996. С.24.

64. Сван Том. Форматы файлов Windows. Пер. с англ. Зарец-кого Д.А. // М.: Бином. - 1995. - С. 58 - 71.

65. Нортон. Д. Написание драйверов под ОС Windows. Пер. с англ. Брюзгина А.А, Федорова А.Г. // М.: Мир. - 1994. - С. 233 -234.

66. Фролов A.B., Фролов Г.В. Графический интерфейс GDI в MS Windows. // M.: Диалог - МИФИ. - 1994. - С. 145 - 204.

67. Брейсуэлл Р. Преобразование Хартли. // М.: Мир. - 1990. -

257 с.

68. Рабинер JI., Голд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. // М.: Мир. - 1978. - 848 с.

69. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. // М.: Мир. - 1988.- 257 с.

70. Яншин В.В., Калинин Г.А. Обработка изображений на языке Си для IBM PC: алгоритмы и программы. // М.: Мир. - 1994.

- 240 с.

71. Welch P.D. The use of fast Fourier transform for the estimation of power spectra: A method based on averagin over short, modified periodograms. // IEEE Transmitions AE. - 1967.- V. AU - 15.

- P. 70 - 73.

72. Rabiner L.R., Gold В., McGonegal C.A. An approach to the approximation problem for nonrecursive digitals filters. // IEEE Transmitions AE. - 1967,- V. AU - 18. - P. 83 - 106.

73. Cooley J.W., Lewis P.A., Welch P.D. The finite Fourier transform. // IEEE Transmitions AE.- 1969,- V. AU - 17. - P. 77 - 85.

74. Helms H.D. Digital filters width equiripple or minimax responses. // IEEE Transmitions AE.- 1971.- V. AU - 19. - P. 87 - 94.

75. Хэррис Ф.Дж. Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье. // ТИИЭР. -1965. - т.66, № 1. - С.60-96.