автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Подповерхностное зондирование дорожного полотна с использованием ЛЧМ сигналов

□03053266

На правах рукописи

ДРОНОВ Дмитрий Владиславович

ПОДПОВЕРХНОСТНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ДОРОЖНОГО ПОЛОТНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛЧМ СИГНАЛОВ

Специальность 05.12.14. Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2007

003053266

Работа выполнена на кафедре формирования колебаний и сигналов Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор БЕЛОВ Леонид Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ПЕТРОВ Александр Сергеевич

кандидат технических наук, доцент ЖУТЯЕВА Татьяна Станиславовна

Ведущая организация:

ООО «Логис», г. Раменское

Защита состоится 15 марта 2007 г. в 15 час. 30 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17. аудитория А - 402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (тоашчсского университета),

Автореферат разослан 6 февраля 2007 г.

Ученый секретарь „ /

диссертационного совета Д 212.157.05. ^ I ^ / кандидат технических наук, доцент Л ,,, \> <. с е Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Радиотехнические методы определения внутренней структуры объектов находят применение в технике аэрокосмического зондирования, поиска полезных ископаемых, при технологическом контроле качества слоистых покрытий, при поиске скрытых объектов, при обследовании дорог, ледников и водоёмов, дистанционном разминировании территорий и т.д.

Значительное число публикаций посвящено дистанционному подповерхностному зондированию Земли с летательных аппаратов, а также созданию приборов промышленной дефектоскопии диэлектрических покрытий. Заметными толчками к развитию георадаров явились работы X. Ф. Хармута по сверхширокополосной радиолокации. Первые работы по идентификации структуры подповерхностной среды с использованием импульсного метода зондирования проводились под руководством М. И. Финкелынтейна. Развитие методов подповерхностного зондирования за рубежом изложено в работе Д. Дж. Дениэлса. Последние достижения в этой области систематизированы в коллективной монографии под редакцией А. Ю. Гринева. В настоящее время выпускаются серийные приборы подповерхностного зондирования Земли, основанные на использовании коротких импульсов с фиксированной средней частотой в диапазоне 25... 1700 МГц. В них оценка структуры и параметров подповерхностных слоев на глубине от 1 до 30 м производится с применением оптимальных методов обработки. Однако, в этом направлении возникают технические ограничения по достижимым значениям пиковой мощности и длительности зондирующего импульса.

Перспективное направление развития теории и техники подповерхностного зондирования связано с применением сверхширокополосных сигналов со сложными законами угловой модуляции, позволяющих ослабить указанные ограничения. Основополагающими можно считать работы Ч. Кука и М. Бернфельда, Я. Д. Ширмана, Ю. Б. Кобзарева. Развитие теории и техники ЧМ-высотомеров связано с работами А. С. Винницкого, А. И. Баскакова. Систематизация накопленного опыта использования ЧМ сигналов представлена в работах В. Н. Кочемасова, Л. А. Белова, В. С. Оконешникова, В. И. Гомозова.

Установлено, что георадар должен быть специализирован для решения ограниченного круга задач. В настоящее время весьма актуальна задача неразрушающего контроля состояния дорожных покрытий. Ее решение с использованием ЛЧМ сигналов позволит внести вклад в развитие методов подповерхностного зондирования, используемых для прогноза и своевременного выявления дефектов дорожного полотна, что имеет существенное значение для экономики страны.

Цель работы

Анализ возможностей измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна на основе гетеродинного и частотно-временного методов обработки ЛЧМ радиоимпульсов.

Решаемые задачи:

1) сравнение возможностей применения ЛЧМ сигналов и коротких импульсов для измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна;

2) анализ влияния погрешностей формирования закона ЧМ зондирующего сигнала и его гетеродинной обработки на точность измерения толщин слоев дорожного полотна, разрешающую способность по глубине и динамический диапазон входных сигналов георадара;

3) разработка частотно-временного метода восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего ЛЧМ сигнала и рекомендаций по выбору параметров схемы обработки;

4) сравнение перспективных алгоритмов совместного измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна, сужающих область их неоднозначной оценки;

5) экспериментальное изучение возможностей идентификации структуры слоев железнодорожного полотна на основе гетеродинной обработки ЛЧМ сигнала.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач использовались численные методы преобразования Фурье, имитационного моделирования, генетический и шаблонный алгоритмы минимизации целевого функционала, методы полиноми-

альной и гармонической аппроксимации, полных сопротивлений, мгновенной частоты, натурное моделирование и эксперимент.

Новые научные результаты:

1) разработан частотно-временной метод восстановления спектральной зависимости комплексного коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего ЛЧМ сигнала;

2) произведено сопоставление генетического и шаблонного алгоритмов минимизации функционала невязки, применяемых для совместного измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна, и установлены области их применимости;

3) предложена методика учета влияния погрешностей формирования закона ЧМ на разрешающую способность, динамический диапазон и точность измерения толщин слоев дорожного полотна на основе их полиномиальной или гармонической аппроксимации при гетеродинной обработке зондирующего сигнала;

4) произведена количественная оценка погрешностей гетеродинной обработки ЛЧМ сигнала, отраженного от неоднородностей, расположенных на глубинах менее его средней длины волны, и установлены временные ограничения частотного метода зондирования.

Практическая значимость результатов работы:

1) предложенный частотно-временной метод обработки позволяет в десятки раз сократить время первичного анализа отраженного сигнала по сравнению с методом дискретной перестройки частоты;

2) разработаны рекомендации по выбору параметров зондирующего сигнала и схемы его частотно-временной обработки, обеспечивающие измерение толщин и электрофизических параметров дорожного полотна с погрешностью менее 5%;

3) методики учета влияния погрешностей формирования закона ЧМ и его гетеродинной обработки на точность измерения толщин слоев дорожного полотна, разрешающую способность и динамический диапазон дают возможность обосновать требования к узлам его формирования и обработки;

4) создан лабораторный вариант программно-математического обеспечения макета ЛЧМ георадара, с помощью которого проведено эксперимен-

тальное сопоставление различных способов обработки ЧМ сигнала в частотной области;

5) проведенные лабораторные и полевые испытания позволили установить причины ухудшения характеристик макета ЛЧМ георадара по сравнению с расчетными и выработать рекомендации для их устранения;

6) подготовлена учебная лабораторная работа для студентов и специалистов, изучающих методы подповерхностного зондирования.

Достоверность результатов работы

подтверждается использованием различных аналитических способов оценки рассматриваемых характеристик георадара, апробацией предложенных методик на примерах, а также экспериментальной проверкой результатов расчета.

Положения, выносимые на защиту:

1) разработанная автором методика учета погрешностей формирования закона ЧМ позволяет оценить точность измерения глубины неоднород-ностей дорожного полотна, динамический диапазон и разрешающую способность по глубине при гетеродинной обработке отраженного сигнала;

2) на глубинах менее средней длины волны гетеродинная обработка ЛЧМ сигналов характеризуется снижением разрешающей способности на 16% и точности измерения глубины неоднородностей на 20% по сравнению со своими значениями на больших глубинах зондирования, что обусловлено искажением спектральной плотности сигнала разностной частоты с малым числом периодов несущего колебания на интервале анализа;

3) применение частотно-временного метода восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего ЛЧМ сигнала даёт возможность измерить толщины и электрофизические параметры его слоев с требуемой точностью;

4) в среднем интервале априорной неопределенности (около 50%) значений искомых параметров дорожного полотна генетический алгоритм обеспечивает не менее, чем на 5% меньшую погрешность измерения по сравнению с шаблонным алгоритмом минимизации функционала невязки.

Апробация результатов

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на десятой, одиннадцатой и двенадцатой научно-технических конференциях студен-

тов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, 2004-2006 гг.); на семинаре РНТРОРЭС имени A.C. Попова (март 2003 года); на научно-технической конференции «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике» РНТОРЭС имени A.C. Попова (Суздаль, 2005); на VIII международной научно-технической конференции «Волновая электроника и ее применения в телекоммуникационных системах» (Санкт - Петербург, 2005), на Всероссийской научно-технической конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2006).

Использование результатов работы

Результаты работы использованы в учебном процессе кафедр Формирования колебаний и сигналов и Радиотехнических приборов МЭИ (ТУ), а также в практической деятельности предприятия «Российский НИИ космического приборостроения», что подтверждено соответствующими актами.

Личный вклад автора

Автором лично разработан метод частотно-временной обработки ЛЧМ сигнала; даны рекомендации по выбору параметров предложенной схемы; проанализировано влияние погрешностей формирования и гетеродинной обработки ЛЧМ сигнала на точность измерения искомых параметров дорожного полотна; создан пакет программ для исследования различных методов обработки зондирующего 4M сигнала; разработано программно-математическое обеспечение для макета ЛЧМ георадара; проведены натурные испытания макета; разработаны рекомендации по созданию опытного образца ЛЧМ георадара;

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 10 печатных работ, в том числе 7 научных статей и текстов докладов, из них 3 без соавторов.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 121 наименования и 3 приложений. Работа изложена на 147 страницах, иллюстрирована 48 рисунками и содержит 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении показана актуальность разработки систем подповерхностного зондирования. Рассмотрены задачи, решаемые с помощью подповерхностной радиолокации, включая задачу контроля параметров дорожного полотна. Сформулирована цель исследования.

В первой главе проведен обзор публикаций по вопросам подповерхностного зондирования. Рассмотрены подходы к решению обратных электродинамических задач. Показано, что широко используется метод, основанный на минимизации функционала невязки между результатами измерений коэффициента отражения подповерхностной среды и его численного моделирова-

1 м . • |2 ния ФМ(А.) = — £|ЯТ(Л А) - ^(/к>Кп)| > г«е = {К»-ел.с} - вектор

искомых значений параметров среды, Х,кст - вектор истинных значений параметров среды, М - объем дискретного набора частот, Л^ -число слоев. Для измерения частотной зависимости коэффициента отражения А3 используются алгоритмы инверсной фильтрации, относящиеся к некорректным математическим задачам. Для расчета коэффициента отражения Кт плоскослоистой среды (рис. 1) применяются методы конечных разностей, полных сопротивлений или матриц передачи. На рис. 1: А„ - толщина, ёл - комплексная диэлектрическая проницаемость, 2„ - полное сопротивление п - го слоя, Н - глубина зондирования. Для минимизации функционала невязки используются методы вариационного исчисления и нелинейного программирования. Наиболее совершенными считаются генетический и шаблонный алго-

приемно-передающие антенны

/Тх фронт волны /"Хх А Д

\ падяощий \ / отраженный/ :Но

с0 =1 / ЛУЧ

1111 «1$|8| и 1111

Кх Ф С « ©

ЕГг ¡1111

¿„-и Я

Рис. I. Плоскослоистая модель среды

ритмы минимизации, позволяющие повысить достоверность результатов расчета. Время расчета параметров дорожного полотна при использовании современных вычислительных средств может достигать десятка минут.

Частным случаем обратной электродинамической задачи является определение задержки сигнала т„ на распространение до нижней границы и-го слоя. Расчет толщины слоя производится по формуле 1гп = схп /2КеЛ/ё7, где тл - задержка сигнала на однократное прохождение и-го слоя в прямом и обратном направлениях, г„ полагается априорно известной. В этом случае время обработки составляет десятки миллисекунд, что дозволяет использовать указанный алгоритм расчета в реальном времени.

Георадары с излучением коротких импульсов (моноимпульсов) в настоящее время наиболее распространены в силу их большей научно-практической проработки. Сложные сигналы с линейной внутриимпульсной частотной модуляцией представляют интерес для подповерхностного зондирования, благодаря огромному опыту разработки высокоточных устройств их формирования и обработки.

Для формирования ЛЧМ сигналов используются пассивные и активные методы. Достоинствами пассивных устройств является стабильность их характеристик и надежность. К недостаткам относят большие потери сигнала при формировании. Достоинства активных методов состоят в возможности формирования сигналов с большой базой и девиацией. Недостатком активных методов формирования сигналов является требуемая высокая стабильность питающего и управляющего напряжений, необходимая для обеспечения высокой точности формирования. Преимущества цифровых методов формирования перед аналоговыми заключаются в возможности оперативного изменения параметров формируемого сигнала и их стабильности, а также введения предыскажений сигнала, позволяющих ослабить требования к цепям обработки и формирования. Для повышения точности формирования ЛЧМ сигналов используют схемы с автоподстройкой параметров.

Для повышения разрешающей способности и точности измерения толщин слоев при достаточной глубине зондирования применяют сверхширокополосные (СШП) сигналы. Особенности их использования, по мнению ряда специалистов, приводят к необходимости пересмотра ряда основополагающих принципов формирования, излучения и обработки сигналов.

Необходимость спектрального оценивания возникает в связи с задачей измерения частот спектральных компонент сигнала разностной частоты. Цифровые методы спектрального оценивания подразделяются на непараметрические и параметрические. Непараметрические методы используют только отсчеты анализируемого сигнала. Параметрические методы предполагают наличие некоторой модели спектра и априорной информации о параметрах исследуемого сигнала.

На основе проведенного обзора литературы сформулированы направления собственного исследования.

Во второй главе сопоставлены возможности импульсного и частотного методов зондирования.

Импульсный метод основан на излучении в среду импульсов с одним периодом несущего колебания на его длительности Ги. Разрешающая способность по глубине при использовании оптимальных методов обработки /?т;„ = 0,5УфДт3дВ, где Дт3дБ ~ Ту - постоянная разрешения по запаздыванию, \'ф- скорость распространения волны в слое. Без весовой обработки динамический диапазон йК георадара определяется уровнем первого бокового лепестка корреляционной функции относительно главного и равен 13 дБ. При фиксированной энергии импульса сокращение его длительности приводит к необходимости увеличения пиковой мощности зондирующего сигнала, а, следовательно, к возможности электрического пробоя в передающем тракте.

С целью преодоления указанных ограничений, целесообразно применять ЛЧМ сигналы с несимметричным законом модуляции с начальной частотой /0, девиацией частоты IV и длительностью модуляции Т. Располагая антенны непосредственно на поверхности Земли (Н0 = 0), при гетеродинной обработке (рис. 2) ЛЧМ сигнала м(0 разностная частота сигнала гф) опреде-

ляется равенством f х = Ъхх, где b = W/T-скорость 4M, Ti - задержка сигнала на распространение до нижней границы первого слоя. На рис. 2: ГПН -генератор управляющего напряжения е, УГ - управляемый генератор, ДМ -делитель мощности, УМ - усилитель мощности, МШУ - малошумящий усилитель, См - смеситель, ФНЧ - фильтр нижних частот, АС - анализатор спектра, БС - блок синхронизации. В этом случае при Т » ть получим, что без весовой обработки Д/3дБ ~ 0,886/Г - ширина спектра сигнала разностной частоты по уровню - 3 дБ, hmin = 0,443уф / W, а DR = 13 дБ. Использование JI4M сигналов позволяет получить требуемую разрешающую способность по глубине при длительности, большей, чем у моноимпульса. Поэтому можно ослабить ограничения на пиковую мощность формируемого сигнала и снизить вероятность электрического пробоя. Волновой фронт

Ж'

i w

г t

БС

ГПН z УГ дм УМ

АС

«к»

ФНЧ

См

МИГУ

Рас. 2. Структурная схема ЛЧМ георадара

будем считать локально плоским в точке падения (рис. 1). Погрешности формирования закона ЧМ зондирующего сигнала могут существенно ограничивать динамический диапазон и разрешающую способность георадара даже при использовании весовых функций, что показано в четвертой главе. Поэтому актуальна оценка максимального ухудшения указанных параметров, возникающего за счет погрешностей формирования. Предположим, что приемная и передающая антенны и расположены на поверхности земли, под которой расположен слой, глубина нижней границы которого Н\ подлежит измерению. Пусть антенны являются широкополосными. Эффектом Доплера пренебрежем, учитывая низкую скорость движения георадара.

Детерминированные погрешности формирования фазы зондирующего ЧМ сигнала [3, 9, 10] представим в виде еп(1) = 271{ф0+ф1г+(ф2/2)/2+(ф3/3)1'3}, где фо, ф|, фг, фз ~ коэффициенты полиномиальной аппроксимации. В работах

[1, 2, 9, 10] показано, что без весо-

А/здб,%

: ! ; ; 1

.....

. .J—-—

D„

0 0,5 1

1.5 2

а)

2,5

3,5

ДОЯ, дБ

о

-4 -6 -8 -10 -12

; • i i \adr = dr'-dr\

i i

А,

0 0,5 1

1,5 2 2,5

б)

3,5 4

Рис. 3. Зависимости ширины спектра сигнала разностной частоты (а) и динамического диапазона (б) от _Ор

вой обработки сигнала разностной частоты погрешность определения глубины Н\ пропорциональна смещению средней частоты сигнала нр(0 относительно значения /р1, которое рассчитывается по

формуле Д/р| = (ф2х, + §Ъ1{Г)!/р1.

Погрешности формирования закона ЧМ приводят к снижению разрешающей способности и динамического диапазона. Использование зависимостей рис. 3, где Д/з'дБ и О К' - ширина спектра сигнала разностной частоты и его динамический диапазон с учетом погрешностей формирования закона ЧМ, позволяет при известной безразмерной девиации разностной частоты -Ор = 2ф3Г2т,, оце-

нить ухудшение разрешающей способности по глубине, пропорциональное Л/3дБ, и динамического диапазона ADR.

Моделируя погрешность формирования фазы 4M сигнала в виде гармонической функции бп(?) = вх sin(27c/nMi + 9[,M), где/пм и ф^ - частота и на-

чальная фаза погрешности формирования, В1 -индекс ее паразитной модуляции, в [4] показано, что ДЯ,/Я, = \АЬт.а/Ь\ = , где тпм = /пм7\ а Айтах- максимальное отклонение скорости ЧМ от значения Ъ. В диссертации приведены примеры расчета рассмотренных выше характеристик георадара с известной модуляционной характеристикой управляемого генератора.

На глубинах зондирования менее средней длины волны зондирующего сигнала спектральная плотность сигнала разностной частоты существенно искажается [5, 9, 10]. Это означает появление системати- д^ % ческой погрешности измерения глубины неоднородности и ухудшение разрешающей способности по глубине по сравнению со своим значением на большой глубине зондирования, которое пропорционально Д/3дК « 0,886 / Т. Максимальная погрешность измерения глубины неоднородности, пропорциональная А/ , (рис. 4,а), составляет 16%

и для т =/Р1Г> 5 не превысит 1% для любого значения начальной фазы (р сигнала разностной частоты. Максимальное ухудшение разрешающей

способности (рис. 4,6), про- Рис. 4. Зависимости смещения

~ несущей частоты (а) и ширины спектра (б)

порциональное А/3дБ, состав- сигнапа разностной частоты от т и

ляет 20%, и для да > 5 не превысит 5% для любого значения ф. Исходя из не-

обходимости существования не менее т периодов разностной частоты на интервале анализа фиксированной длительности получим неравенство, определяющее предельно достижимый диапазон изменения значений задержки отраженного от неоднородности сигнала 2т/IV < т, < (772). Полагая т- 1, Т = 4 мс, IV = 500 МГц, Но - 10 см для слоя сухого суглинка (г/ = 2,5), пренебрегая затуханием сигнала, получим, что минимальная идентифицируемая глубина неоднородности составляет 31 см.

В третьей главе предложен частотно-временной метод восстановления частотной зависимости коэффициента отражения подповерхностной среды. Используя метод мгновенной частоты, в рамках квазистационарного подхода можно показать, что сигнал разностной частоты имеет вид нр(0 = £/рД(/(0)соз[фл(/(0)], ге[ттах,Г], где ттах - задержка на распространение до нижней границы наиболее глубокого слоя. Выделяя его амплитуду /¿(/(У)) и полную фазу фй(/(0) с помощью преобразования Гильберта (рис. 6), можно восстановить частотный фрагмент комплексного коэффициента отражения в полосе частот зондирующего ЛЧМ сигнала [6, 7]. На рис. 5: АЦП - аналого-цифровой преобразователь, БПГ - блок преобразования Гильберта, ГЛЧМ - генератор ЛЧМ сигнала, БВО - блок вторичной обработки, в котором на основе минимизации функционала невязки рассчитываются искомые параметры дорожного полотна, БС - блок синхронизации. К достоинствам данного метода обработки следует отнести простоту его технической реализации,

Рис. 5. Схема восстановления комплексного коэффициента отражения сокращение времени обработки в десятки раз по сравнению с методом дискретной перестройки частоты. К недостаткам - фильтровые и динамические искажения, связанные с нарушением условий применимости метода мгно-

венной частоты [6-8]. На примере анализа влияния указанных искажений на погрешность измерения относительной

диэлектрической проницаемости четвертого слоя ЛБ4 (рис. 6), где Ь0 = 40-1012 Гц/с - значение скорости ЧМ, использованное в расчетах, Л^ и = /7ср //Р1 - порядок ФНЧ и его нормированная частота среза,

10 15 20 25 30

40 45

Рис. 6. Влияние частоты среза ФНЧ и скорости ЧМ на точность измерения параметров среды

показано, что при условии высокого отношения сигнал-шум на входе БВО, за счет уменьшения скорости ЧМ можно получить низкую (менее 5%) погрешность измерения параметров среды. Показана целесообразность использования ФНЧ с максимально плоской АЧХ в полосе пропускания. Увеличение порядка ФНЧ с 2 до 4 дает увеличение точности не более 6%.

Частоту дискретизации сигнала разностной частоты следует выбирать, анализируя средний квадрат ошибки вычисления функционала невязки

iti N-1 Фи - значение функционала при Л/ —>со, полагая X = £j. С ростом объема частотной выборки М уменьшается погрешность дискретизации сигнала разностной частоты, а Фм стремится к предельному значению Ф., , побочные минимумы которого максимально удалены по уровню от главного. При М > 250

где N - количество точек сравнения,

скоф

О 200 400 600 800 1000

Рис. 7. Зависимость СКОс, от объема частотной выборки

СКОф< 10'2, поэтому зависимостью точности вычисления функционала от девиации частоты зондирующего сигнала можно пренебречь. Изменение толщины слоя от 0,5 м до 2 м не приводит к изменению СКОф более чем на 5% для любого Ш СКОф существенно зависит от влажности и числа слоев Л^ среды (рис. 7). При этом необходимо повышать М до 1000 для достижения СКОф < ДО"2. Для Т — 5 мс, например, частота дискретизации составляет /д *Л//Г=200 кГц.

Дчя повышения точности и достоверности результатов измерения параметров среды проводился анализ работы генетического алгоритма (ГА), основанного на известном предположении об эволюции видов в природе. Из

рис. 8, где 25 - относительная ширина интервала априорной неопределенности значений параметров первого слоя, видно влияние параметра определяющего скорость сходимости ГА в результирующей точке. Изучены возможности использования различных правил формирования новой выборки и процедур дополнительного поиска, применяемых для повышения точности измерения искомых параметров по окончании работы ГА. Результаты сравнения ГА и

, 1

_ 3,%

Рис. 8. Влияние параметра ЗТС иа качество работы ГА (И] неизвестна)

ДА,,%

Е53 ГА •■¡Тс =100

ЯН -я™ ,

\ 5,%

Рис. 9. Сопоставление точности измерения при использовании ГА иАШП (Н\и неизвестны)

алгоритма поиска по шаблону (АШП), как новейшего метода прямого поиска (рис. 9) ттозвол&ют установить области применимое™ обоих алгоритмов. -

Четвёртая глава посвящена экспериментальному изучению возможностей восстановления структуры слоев железнодорожного полотна с ис-

пользованием макета ЛЧМ георадара, созданного сотрудниками ФГУТ1 РНИИ КП при непосредственном участии автора, а также поиску причин, ограничивающих разрешающую способность и динамический диапазон, по сравнению со своими расчетными значениями. В созданном приборе использованы активный цифроаналоговый способ формирования зондирующего ЛЧМ сигнала мощностью 10 мВт с перестройкой частоты от 1 ГГц до 2 ГГц при длительности модуляции 4 мс и его гетеродинная обработка на основе цифровых методов спектрального анализа. Остальные характеристики макета приведены в диссертации.

Для проведения лабораторных испытаний автором разработано программно-математическое обеспечение, позволяющее корректировать управляющее напряжение перестраиваемого по частоте генератора, проводить цифровую обработку сигнала разностной частоты в частотной области с использованием весовых функций и фильтра нижних частот, а также сохранять результаты зондирования. В ходе лабораторных испытаний макета установлено, что одной из причин ухудшения экспериментальных характеристик по сравнению с расчетными (таблица 1) является инерционность управляемого генератора по цепи управления. Предложены меры по ее устранению. Дополнительно проведена проверка возможностей обнаружения малоразмерных объектов.

Таблица 1. Расчетные и экспериментапьные характеристики макета георадара при зондировании слоя глины с объемной влажностью 5% без весовой обработки____

Параметр Д/здБ - кГц ПР., дБ Ятах > СМ

Предельное значение 0,22 13 4,5 32

Эксперимент 0,3 7 5,9 18

Полевые испытания подтвердили возможность восстановления структуры слоев железнодорожного полотна в диапазоне глубин до 1 м при использовании оконной функции Кайзера.

Заключение. В ходе проведенного исследования теоретически обоснована и практически подтверждена принципиальная возможность создания ЛЧМ георадара, позволяющего измерять толщины и электрофизические параметры слоев дорожного полотна в диапазоне глубин до 1 м с разрешающей

способностью по глубине не хуже 18 см с периодом зондирования порядка 5 мс. Это позволяет отказаться от импульсного метода зондирования, технические возможности реализации которого близки предельно достижимым. Результаты теоретического анализа состоят в следующем:

1) установлено, что на глубинах менее средней длины волны гетеродинная обработка ЛЧМ сигналов характеризуется снижением разрешающей способности на 16% и точности измерения глубины неоднородностей дорожного полотна на 20% по сравнению со своими значениями на больших глубинах, что обусловлено искажением спектральной плотности сигнала разностной частоты с малым числом периодов несущего колебания на интервале анализа. Выявлены временные ограничения частотного метода зондирования;

2) разработана методика, позволяющая оценить погрешность измерения глубины неоднородностей дорожного полотна, динамический диапазон и разрешающую способность георадара по глубине на основе полиномиальной или гармонической аппроксимации погрешностей закона ЧМ;

3) для восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего сигнала впервые предложено использовать частотно-временной метод обработки, представляющий альтернативу методу инверсной фильтрации. К достоинствам метода следует отнести простоту его технической реализации и сокращение времени обработки в десятки раз по сравнению с методом дискретной перестройки частоты. Для уменьшения погрешностей измерения параметров дорожного полотна рекомендуется выбирать параметры зондирующего сигнала и схемы обработки в соответствии с предложенной в работе методикой, учитывающей возможное изменение условий распространения сигнала в среде;

4) проведен сравнительный анализ генетического и шаблонного алгоритмов минимизации функционала невязки, применяемых для совместного измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна. В ходе анализа показано, что в узком (8 < 25%) интервале априорной неопределенности значений искомых параметров большую точность измерения обеспечивает шаблонный алгоритм, в среднем (5 » 50%) интервале неопределенности предпочтение следует отдать генетическому алгоритму, в широком

(6 > 75%) интервале неопределенности оба алгоритма не обеспечивают точность измерения искомых параметров менее 50%.

Практические испытания макета ЛЧМ георадара показали, что разрешающая способность макета по глубине на 30 %, а динамический диапазон на 6 дБ хуже своих потенциально достижимых значений. Одной из причин ухудшения указанных характеристик является инерционность перестраиваемого по частоте генератора по цепи управления. Использование весовой обработки позволяет восстановить структуру слоев полотна железной дороги в диапазоне глубин до 1 м.

Для создания опытного образца ЛЧМ георадара рекомендовано использование цифровых вычислительных синтезаторов, фильтров с линейной фазочастотной характеристикой, устройств автоматической коррекции параметров ЧМ и программных корректоров управляющего напряжения. Последние были реализованы в макете.

Приложения содержат список программ, использованных при проведении численных экспериментов, акты об использовании результатов диссертации и фрагмент программно-математического обеспечения макета.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Дронов Д.В. Влияние погрешностей закона ЧМ на характеристики радара подповерхностного зондирования // Радиотехнические тетради. -2005.-№32.-С. 31-33.

2. Дронов Д.В. Погрешности частотной обработки информационного сигнала ЛЧМ георадара с нелинейностью в законе частотной модуляции // Труды 8-ой междунар. НТК для молодых исследователей «Волновая электроника и ее применение в информационных и телекоммуникационных системах» 4-9 сентября 2005 г. - СПб., 2005. - С. 37-44. (на англ. яз)

3. Белов Л.А., Дронов Д.В. Нелинейные эффекты при амплитудно-фазовом преобразовании в усилителе мощности спутникового ретранслятора // Радиотехника. - 2005. - № 11. - С. 97-99.

4. Баскаков А.И., Дронов Д.В., Мин-Хо Ка, Методика расчета допустимой нелинейности ЧМ генератора георадара // Радиотехника - Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2006. — № 3, т.2. -С. 55-59.

-205. Дронов Д.В. Погрешности обработки информационного сигнала J14M георадара в частотной области // Радиотехнические тетради. - 2005. -№32. -С. 34-36.

6. Белов JI.A., Дронов Д.В. Радиочастотное подпочвенное зондирование неоднородностей при помощи сверхширокополосных JI4M сигналов // Труды РНТОРЭС имени A.C. Попова. Серия: Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике. - М., 2005. -Вып. 1.-С. 101-103.

7. Белов JI.A., Дронов Д.В. Выбор частоты дискретизации при частотно-временной обработке сигнала подповерхностного ЛЧМ георадара // Труды РНТОРЭС имени A.C. Попова. Серия: Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике. - М., 2006. - Вып. 1. - С. 489-493.

8. Белов JI.A., Дронов Д.В. Применение метода мгновенной частоты для восстановления частотной зависимости коэффициента отражения подповерхностной среды при ее зондировании ЛЧМ радиоимпульсами // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 12-ой междунар. НТК студентов и аспирантов 2-3 марта 2006 г. - М., МЭИ, 2006. Т.1. - С. 48.

9. Белов Л.А., Дронов Д.В. Исследование характеристик радара подповерхностного зондирования с использованием СШП ЛЧМ сигналов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 11-ой междунар. НТК студентов и аспирантов 1-2 марта 2005 г.- М., МЭИ, 2005. ТЛ. - С. 3334.

10. Дронов Д.В., Белов JI.A. Исследование характеристик радара подповерхностного зондирования с использованием СШП ЛЧМ сигналов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 10-ой междунар. НТК студентов и аспирантов 2-3 марта 2004 г. - М., МЭИ, 2004. Т.1. - С. 3334.

Печ. л. f,U

Тираж

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

Заказ fy

Данная работа подготовлена на кафедре Формирования колебаний и сигналов Института радиотехники и электроники Московского энергетического института под руководством профессора к.т.н. J1.A. Белова. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю за внимательное и критическое отношение к данной работе. Автор также благодарен профессору д.т.н. Н. Н. Удалову и своим старшим коллегам по кафедре за помощь в написании данной работы. Автор признателен профессорам д.т.н. А. И. Баскакову и д.т.н. В. И. Воробьеву, чьи советы и доброжелательная критика способствовали улучшению содержания работы.

Автор выражает благодарность к.т.н. В. С. Полишкарову, инициировавшему научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию J14M георадара. Также автор признателен А. С. Рудневу, под руководством которого проводились разработка программного обеспечения и экспериментальное исследование макета георадара.

Оглавление

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Методы и средства зондирования.

1.2. Излучение и распространение сигналов.

1.3. Формирование и обработка J14M сигналов.

1.4. Выводы. Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. ГЕТЕРОДИННЫЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ.

2.1. Решаемые задачи.

2.2. Сопоставление частотного и видеоимпульсного методов.

2.3. Погрешности формирования закона ЧМ.

2.4. Погрешности обработки сигнала разностной частоты.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ.

3.1. Решаемые задачи.

3.2. Частотно-временной метод обработки.

3.3. Выбор параметров сигнала и схемы обработки.

3.4. Анализ генетического и шаблонного алгоритмов минимизации

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ.

4.1. Цель и задачи.

4.2. Техническая реализация макета георадара.

4.3. Лабораторные испытания.

4.4. Полевые испытания.

4.5. Выводы.

Актуальность темы

Радиотехнические методы определения внутренней структуры объектов находят применение в технике аэрокосмического зондирования, поиска полезных ископаемых, при технологическом контроле качества слоистых покрытий, при поиске скрытых объектов, при обследовании дорог, ледников и водоёмов, дистанционном разминировании территорий и т.д.

Значительный объём исследований был проведен в связи с дистанционным подповерхностным зондированием Земли с летательных аппаратов, а также при создании приборов промышленной дефектоскопии диэлектрических покрытий. Заметными толчками к развитию георадаров явились работы X. Ф. Хармута по сверхширокополосной радиолокации. Первые работы по идентификации структуры подповерхностной среды с использованием радиоимпульсного метода зондирования проводились под руководством М.И. Финкельштейна. Развитие методов подповерхностного зондирования за рубежом изложено в работе Д. Дж. Дениэлса. Последние достижения в этой области систематизированы в коллективной монографии под редакцией A.IO. Гринева. В настоящее время выпускаются серийные приборы подповерхностного зондирования Земли, основанные на использовании коротких радиоимпульсов с фиксированной средней частотой в диапазоне 25. 1700 МГц. В них оценка структуры и параметров подповерхностных слоёв на глубине от 1 до 30 м производится с применением оптимальных методов обработки. Однако, в этом направлении возникают технические ограничения по достижимым значениям пиковой мощности и длительности зондирующего импульса.

Перспективное направление развития теории и техники подповерхностного зондирования связано с применением сверхширокополосных сигналов со сложными законами угловой модуляции, позволяющих ослабить указанные ограничения. Основополагающими можно считать работы Ч. Кука и М. Бернфельда, Я. Д. Ширмана, Ю. Б. Кобзарева. Развитие теории и техники

ЧМ-высотомеров связано с работами А. С. Винницкого, А. И. Баскакова. Систематизация накопленного опыта использования ЧМ сигналов представлена в работах В. Н. Кочемасова, JI. А. Белова, В. С. Оконешникова, В. И. Гомозова.

Установлено, что георадар должен быть специализирован для решения ограниченного круга задач. В настоящее время весьма актуальна задача неразрушающего контроля состояния дорожных покрытий. Ее решение с использованием JI4M сигналов позволит внести вклад в развитие методов подповерхностного зондирования, используемых для прогноза и своевременного выявления дефектов дорожного полотна, что имеет существенное значение для экономики страны.

Цель работы

Анализ возможностей идентификации структуры слоев дорожного полотна на основе гетеродинного и частотно-временного методов обработки JI4M радиоимпульсов.

Решаемые задачи:

1) сравнение потенциальных возможностей применения JI4M сигналов и коротких видеоимпульсов для измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна;

2) анализ влияния погрешностей формирования закона ЧМ зондирующего сигнала и его гетеродинной обработки на точность измерения толщин слоев дорожного полотна, разрешающую способность по глубине и динамический диапазон входных сигналов георадара;

3) разработка частотно-временного метода восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего JI4M сигнала и рекомендаций по выбору параметров схемы обработки;

4) сравнение перспективных генетического и шаблонного алгоритмов минимизации функционала невязки применительно к задаче совместного измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна;

5) экспериментальное изучение возможностей идентификации структуры слоев железнодорожного полотна на основе гетеродинной обработки J14M сигнала.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач использовались численные методы прямого и обратного преобразований Фурье, имитационного моделирования, генетический и шаблонный алгоритмы минимизации целевого функционала, методы полиномиальной и гармонической аппроксимации, полных сопротивлений, мгновенной частоты, натурное моделирование и эксперимент.

Новые научные результаты:

1) разработан частотно-временной метод восстановления спектральной зависимости комплексного коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего J14M сигнала;

2) произведено сопоставление генетического и шаблонного алгоритмов минимизации функционала невязки, применяемых для идентификации структуры слоев дорожного полотна, и установлены области их применимости;

3) предложена методика учета влияния погрешностей формирования закона ЧМ на разрешающую способность, динамический диапазон и точность измерения толщин слоев дорожного полотна на основе их полиномиальной или гармонической аппроксимации при гетеродинной обработке зондирующего сигнала;

4) произведена количественная оценка погрешностей гетеродинной обработки J14M сигнала, отраженного от неоднородностей, расположенных на глубинах менее его средней длины волны, и установлены временные ограничения частотного метода зондирования.

Практическая значимость результатов работы:

1) предложенный частотно-временной метод восстановления частотной зависимости коэффициента отражения подповерхностной среды, позволяет в десятки раз сократить время обработки по сравнению с методом дискретной перестройки частоты;

2) разработаны рекомендации по выбору параметров зондирующего сигнала и схемы его частотно-временной обработки, обеспечивающие измерение искомых параметров дорожного полотна с допустимой погрешностью;

3) методики учета влияния погрешностей формирования закона ЧМ и его гетеродинной обработки на точность измерения толщин слоев дорожного полотна, разрешающую способность и динамический диапазон дают возможность обосновать требования к узлам его формирования и обработки;

4) создан лабораторный вариант программно-математического обеспечения макета JI4M георадара, с помощью которого проведено экспериментальное сопоставление различных способов обработки ЧМ сигнала в частотной области;

5) проведенные лабораторные и полевые испытания позволили установить причины ухудшения анализируемых характеристик макета JI4M георадара по сравнению с потенциально достижимыми;

6) подготовлена учебная лабораторная работа для студентов и специалистов, изучающих методы подповерхностного зондирования.

Достоверность результатов работы: подтверждается использованием различных аналитических способов оценки рассматриваемых характеристик георадара, апробацией предложенных методик на примерах, а также экспериментальной проверкой результатов расчета.

Положения, выносимые на защиту:

1) разработанная автором методика учета погрешностей формирования закона ЧМ позволяет оценить точность измерения глубины неоднород-ностей дорожного полотна, динамический диапазон и разрешающую способность по глубине при гетеродинной обработке зондирующего сигнала;

2) на глубинах менее средней длины волны гетеродинная обработка J14M сигналов характеризуется снижением разрешающей способности на 16% и точности измерения глубины неоднородностей на 20% по сравнению со своими предельными значениями, что обусловлено искажением спектральной плотности сигнала разностной частоты с малым числом периодов несущего колебания на интервале анализа;

3) применение частотно-временного метода восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего J14M сигнала даёт возможность измерить толщины и электрофизические параметры его слоев с допустимой погрешностью;

4) в среднем интервале априорной неопределенности (около 50%) значений искомых параметров дорожного полотна генетический алгоритм обеспечивает не менее, чем на 10% меньшую погрешность измерения по сравнению с шаблонным алгоритмом минимизации функционала невязки.

Апробация результатов

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на десятой, одиннадцатой и двенадцатой научно-технических конференциях студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, 2004-2006 гг.); на семинаре РНТРОРЭС имени А.С. Попова (март 2003 года); на научно-технической конференции «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике» РНТОРЭС имени А.С. Попова (Суздаль, 2005); на VIII международной научно-технической конференции «Волновая электроника и ее применения в телекоммуникационных системах» (Санкт - Петербург, 2005), на Всероссийской научно-технической конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2006).

Использование результатов работы

Результаты работы использованы в учебном процессе кафедр Формирования колебаний и сигналов и Радиотехнических приборов МЭИ (ТУ), а также в практической деятельности предприятия «Российский НИИ космического приборостроения», что подтверждено соответствующими актами.

Личный вклад автора

Автором разработан метод частотно-временной обработки J14M сигнала; даны рекомендации по выбору параметров предложенной схемы; проанализировано влияние погрешностей формирования и гетеродинной обработки J14M сигнала на точность измерения искомых параметров дорожного полотна; создан пакет программ для исследования различных методов обработки зондирующего ЧМ сигнала; разработано программно-математическое обеспечение для макета JI4M георадара; проведены натурные испытания макета; разработаны рекомендации по созданию опытного образца JI4M георадара;

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 10 печатных работ, в том числе 7 научных статей и текстов докладов, из них 3 без соавторов.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 121 наименования и 3 приложений. Работа изложена на 147 страницах, иллюстрирована 48 рисунками и содержит 6 таблиц.

4.5. Выводы

Для экспериментальной проверки динамического диапазона и разрешающей способности приемно-передающей части макета георадара с гетеродинной обработкой зондирующего ЛЧМ сигнала создано ПМО, которое обеспечивает широкие возможности по изменению характеристик управляющего напряжения, и выбору способов обработки информационного сигнала в частотной области. В ходе лабораторных испытаний установлено следующее:

1) ПМО работоспособно и обеспечивает корректное выполнение заложенных в него алгоритмов формирования и обработки сигналов макета георадара; б) продолжение

Рис. 4.15. Радарограмма железнодорожного полотна (скорость движения 2,0 км/ч) а) первый фрагмент

2) экспериментальные разрешающая способность на 30% хуже, а динамический диапазон на 6 дБ хуже своих потенциально достижимых значений, что обусловлено погрешностями формирования закона ЧМ;

3) погрешность расчета толщины слоя при условии, что значение его относительной диэлектрической проницаемости известно с точностью 50% может достигать 60%. Это свидетельствует о необходимости совместных измерений толщин и электрофизических параметров слоев среды;

4) макет георадара обеспечивает возможность наблюдения за малоразмерными целями в виде двух металлических предметов размерами 200 см х 200 мм, зарытых на глубине 50 см с разницей по глубине в 15 см и расположенных на расстоянии 50 см друг от друга;

5) применение вторичной графической обработки позволяет повысить контрастность идентифицируемых объектов, но при этом может повыситься контрастность ложных объектов;

Полевые испытания показывают, что реальная глубина проникновения сигнала при зондировании железнодорожного полотна не превышает 1 м Число наблюдаемых слоев примерно соответствует ожидаемому. Недостаточная разрешающая способность георадара по глубине, а также конечная ширина диаграмм направленности антенн приводит к визуальному слиянию ближайших к поверхности границ. Оценка доплеровского смещения частоты подтвердила возможность пренебрежения им в расчетах.

Анализ причин ухудшения разрешающей способности и динамического диапазона показал, что к числу ограничивающих отмеченные характеристики факторов следует отнести высокую инерционность УГ по цепи управления, а также нелинейность его MX и фазочастотных характеристик частотно избирательных цепей. Поэтому можно рекомендовать использование управляемого генератора с меньшей постоянной времени цепи управления и исключить из обработки начальный участок интервала анализа, на котором инерционность проявляется особенно сильно. Предлагается применить цифровые вычислительные синтезаторы, позволяющие программно корректировать искажения закона ЧМ или корректоры управляющего напряжения. Использование фильтров с линейной фазочастотной характеристикой и незначительное снижение диапазон перекрытия по частоте по сравнению с октавным позволит улучшить качество фильтрации высших гармоник формируемого сигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенного исследования теоретически обоснована и практически подтверждена принципиальная возможность создания ЛЧМ георадара, позволяющего идентифицировать структуру слоев дорожного полотна в диапазоне глубин до 1 м с разрешающей способностью по глубине не более 18 см и с периодом зондирования порядка 5 мс. В созданном приборе использованы активный цифроаналоговый способ формирования зондирующего сигнала мощностью 10 мВт с перестройкой частоты от 1 ГГц до 2 ГГц при длительности модуляции порядка 5 мс и его гетеродинная обработка на основе цифровых методов спектрального анализа. Это позволяет отказаться от дорогостоящих высоковольтного источника ударного возбуждения антенны и стробоскопического преобразователя временного масштаба, используемых в радиоимпульсных георадарах. Результаты теоретического анализа состоят в следующем:

1) установлено, что на глубинах менее средней длины волны гетеродинная обработка ЛЧМ сигналов характеризуется снижением разрешающей способности на 16% и точности измерения глубины неоднородностей дорожного полотна на 20% по сравнению со своими предельными значениями, что обусловлено искажением спектральной плотности сигнала разностной частоты с малым числом периодов несущего колебания на интервале анализа. Выявлены временные ограничения частотного метода зондирования;

2) разработана методика, позволяющая оценить погрешность измерения глубины неоднородностей дорожного полотна, динамический диапазон и разрешающую способность георадара по глубине на основе полиномиальной или гармонической аппроксимации погрешностей закона ЧМ;

3) для восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего сигнала впервые предложено использовать частотно-временной метод обработки, представляющий альтернативу методу инверсной фильтрации. К достоинствам метода следует отнести простоту его технической реализации и сокращение времени обработки в десятки раз по сравнению с методом дискретной перестройки частоты. Для уменьшения погрешностей измерения искомых параметров среды рекомендуется выбирать параметры зондирующего сигнала и схемы обработки в соответствии с предложенной в работе методикой, учитывающей возможное изменение условий распространения сигнала в среде;

4) проведен сравнительный анализ генетического и шаблонного алгоритмов минимизации функционала невязки, применяемых для совместного измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна. В ходе анализа показано, что в узком (8 < 25%) интервале априорной неопределенности значений искомых параметров большую точность измерения обеспечивает шаблонный алгоритм, в среднем (8 ~ 50%) интервале неопределенности предпочтение следует отдать генетическому алгоритму, в широком (8 > 75%) интервале неопределенности оба алгоритма не обеспечивают точность измерения искомых параметров менее 50%.

Для создания опытного образца ЛЧМ георадара можно рекомендовать использование управляемого генератора с меньшей по сравнению с имеющейся в макете постоянной времени цепи управления и введение в схему формирования корректора управляющего напряжения, что и было реализовано в макете. Это позволит уменьшить погрешность закона ЧМ, обусловленную инерционностью управляемого генератора по цепи управления и нелинейностью его модуляционной характеристики. Для этой же цели целесообразно исключить из обработки начальный временной интервал, на котором инерционность проявляется особенно сильно. Для компенсации погрешностей формирования закона ЧМ, вызванных нелинейностью фазоча-стотных характеристик фильтров и усилительных устройств, предлагается использовать фильтры с линейной фазочастотной характеристикой и цифровые вычислительные синтезаторы, позволяющие программно корректировать закон ЧМ. Необходимо снижать уровни высших гармоник на выходе управляемого генератора, ограничивающих динамический диапазон георадара. Для этого необходимо отказаться от октавной перестройки частоты, что позволит улучшить качество фильтрации высших гармоник формируемого сигнала.

1. Подповерхностная радиолокация / Под ред. М.И. Финкельштей-на М: Радио и связь, 1994. - 221 с.

2. Daniels D.J. Surface-penetrating radar. The Institution of Electrical Engineers. London, IEE-UK, 1996. - 350 p.

3. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / Под ред. АЛО. Гринева. М.: Радиотехника, 2005. - 416 с.

4. Инструкция по содержанию земляного полотна железнодорожного пути / МПС России М.: Транспорт, 1999. - 189 с.

5. Коншин Г.Г. Вибросейсмическая диагностика эксплуатации земляного полотна/ВНИИЖТ.-М.: Транспорт, 1994. -216 с.

6. Строительные нормы и правила российской федерации. СНиП 32-01-95. Железные дороги колеи 1520 мм. М.: Министерство строительства РФ, 1995.-35 с.

7. Богородский В.В. Физические методы исследования ледников. -Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1968.-212 с.

8. Глебович Г.В., Андриянов А.В., Введенский Ю.В. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов / Под ред. Г.В. Глебовича. М.: Радио и связь, 1984. - 256 с.

9. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования земли / Под ред. Г.С. Кондра-тенкова М.: Радиотехника, 2005. - 368 с.

10. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации в радиосвязи: Пер с англ. -М.: Радио и связь, 1985. 376 с.

11. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. М.: «Сов. радио», 1971.-568 с.

12. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М.: Сов. радио, 1974.-360 с.

13. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М.: Сов. радио, 1977. -448с.

14. Варакип JI.E. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

15. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 2000. - 462 с.

16. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. 4-е изд., -М.: Радио и связь, 1986.-512 с.

17. Денисенко А.Н. Теоретическая радиотехника: Справочное пособие. М: Горячая линия - Телеком, 2005. - 704 с.

18. Баскаков А.И., Лукашенко Ю.И., Щсрнакова Л.А. Зондирующие радиолокационные сигналы. М.: Изд-во МЭИ, 1990. - 79 с.

19. Баскаков А.И. Прецизионный океанографический высотомер космического базирования. М.: Изд-во МЭИ, 1994. - 75 с.

20. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. М: Радио и связь, 1986. -536 с.

21. Современная радиолокация / Пер. с англ. Ю.Б.Кобзарева М.: Сов. радио, 1969.-704 с.

22. Випицкий А. С. Автономные радиосистемы. М: Радио и связь, 1986. -336 с.

23. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов / Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов, Ю.М.Казаринов и др.; Под ред. Ю.М. Казаринова. М.: Высш. школа., 1990.-496 с.

24. Белов JI.A., Дронов Д.В. Лебединский А.С. Цифровое формирование и обработка сигналов: Учебное пособие / Под ред. Л.А. Белова. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 44 с.

25. Кочемасов В.Н., Белов Л.А., Оконешников B.C. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией. -М.: Радио и связь, 1983. 192 с.

26. Белов Л.А. Синтезаторы частот и сигналов. М.: САИНС-ПРЕСС, 2002. - 80 с.

27. Белов Л.А. Формирование стабильных частот и сигналов. М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 224 с.

28. Гомозов В.И. Теория и техника формирования сложных СВЧ сигналов с высокой скоростью угловой модуляции для радиотехнических систем. Харьков: Издатель А.И. Шуст, 2002. - 398 с.

29. Зенькович А.В. Искажения ЧМ колебаний. М.: Сов. радио, 1974. -296 с.

30. Рубичев Н.А. Оценка и измерение искажений радиосигналов. -М.: Сов. радио, 1978. 168 с.

31. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебник для вузов / Л.А. Белов, В.М. Богачев, М.В. Благовещенский и др.; Под ред. Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова и М.В. Благовещенского. -2-е изд., М.: Радио и связь, 1994.-416 с.

32. Генераторы высоких и сверхвысоких частот: Учеб. пособие / О.В. Алексеев, А.А. Головков, А.В. Митрофанов и др. М.: Высш. школа, 2003. -326 с.

33. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/ В.В. Шах-гильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна 3-е изд. - М.: Радио и связь, 2003. - 560 с.

34. Проектирование радиопередатчиков. Учеб. пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев, и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна 4-е изд. - М.: Радио и связь, 2003. - 656 с.

35. Генераторы и усилители СВЧ/ Под ред. И.В. Лебедева. М.: Радиотехника, 2005. - 352 с.

36. Радиопередающие устройства / М.В. Балакирев, Ю.С. Вохмяков, А.В. Журников, и др.: Под ред. О.А. Челнокова. М.: Радио и связь. 1982. -256 с.

37. Манассевич В. Синтезаторы частот (теория и проектирование). -М.: Связь, 1979.-384 с.

38. Ямпурин Н.П., Болознев В.В., Сафонова Е.В., Жалнин Е.Б.

39. Формирование прецизионных частот и сигналов. Нижний Новгород, 2003. -187 с.

40. Тихомиров Н.М., Романов С.К., Леньшин А.В. Формирование ЧМ сигналов в синтезаторах с автоподстройкой. М.: Радио и связь. 2004. -210с.

41. Тихоиов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач.-М.: Наука, 1979. -285 с.

42. Хилькевич В.В. Использование алгоритмов с обучением для решения задач радиоволновой интроскопии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МЭИ. Кафедра ФКС, 2001.

43. Хилькевич В.В. Искусственные нейронные сети и их применение. -М.-.МЭИ, 2004.-68 с.

44. Тарасов Д.А. Автогенераторный метод автоматизированной оценки параметров неоднородных материалов в процессе их обработки в СВЧ поле. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МЭИ. Кафедра ФКС, 1999.

45. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1979. - 368 с.

46. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. -М.: Радио и связь, 2000. 559 с.

47. Банков С.Е. Методы автоматизированного проектирования элементов СВЧ радиоприемных устройств М.: МЭИ, 2002. - 64 с.

48. Миронов В.Г., Казанцев Ю.А. Кузовкин В.А. Методы расчета потенциальных электромагнитных полей / Под ред. Е.С. Колечицкого. М.: МЭИ, 2002.-170 с.

49. Пермяков В.А. Лекции по геометрической оптике неоднородных сред.-М.: МЭИ, 1997.-76 с.

50. Пермяков В.А., Леснова Т.А. Сравнение методов расчета коэффициентов отражения и прохождения плоских электромагнитных волн в плоскослоистой среде. М.: Труды МЭИ, - 1980. - Вып.492. - С. 21-26.

51. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.344 с.

52. Сазонов и др. Устройства СВЧ / Под ред Сазонова Д.М. М.: Высш. школа, 1981. - 295 с.

53. Будурис Ж., Шеневье П. Цепи сверхвысоких частот: (теория и применение). М.: Сов. радио, 1979. - 288 с.

54. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. / Под ред. Ю.В. Пименова: Учеб. пособие для вузов. М.: Радиотехника, 2002. - 536 с.

55. Амосов А.А., Дубинский Ю.А. Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 596 с.

56. Гловацкая А.П. Методы и алгоритмы вычислительной математики. М.: Радио и связь, 1999. - 408 с.

57. Трифонов А.Г. Постановка задачи оптимизации и численные методы ее решения // www.exponenta.ru (20.03.2005)

58. Optimization toolbox user's guide//The Math Works, Inc., 2005.

59. Genetic algorithm and direct search toolbox user's guide // The Math-Works, Inc., 2005.

60. Болдырев M. Генезис в финансах. Выбор оптимальных путей // www.toracentre.ru (20.04.2005)

61. Доетри Д., Фриман М. и Кумар Р. Оптимизация с использованием MATLAB и Genetic Algorithm and Direct Search Toolbox. // www.exponenta.ru (20.04.2005).

62. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.-320 с.

63. Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов приема при флуктуа-ционных помехах. М.: Советское радио, 1972. - 448 с.

64. Филиппов Л.И. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Высшая школа, 1981. - 176 с,

65. Резников А.Е., Копейкнн В.В., О Ен Ден и др. Сравнительные характеристики георадаров // Сборник докладов всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» 1-3 июля 2003. Муром, 2003. - С. 88-94.

66. Гринев А.Ю., Саблин В.Н., Андрияиов А.В., Воскресенский

67. Д.И. Теория и практика радаров подповерхностного зондирования // Сборник докладов всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» 1-3 июля 2003. Муром, 2003, -С. 460-466.

68. Титов А.Н. Георадары: некоторые особенности проектирования // Сборник докладов всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» 1-3 июля 2003. Муром, 2003,-С. 525-528.

69. Астанин Л. Ю., Костылев А. А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. -М.: Радио и связь, 1989. 192 с.

70. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радиосистемы // Сборник докладов всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» 1-3 июля 2003. Муром, 2003. -С. 7-15.

71. Иммореев И.Я., Синявин А.И. Излучение сверхширокополосных сигналов. // Сборник докладов всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» 1-3 июля 2003 г. Муром, 2003. - С. 88-94.

72. Кольцов Ю. В. Методы и средства анализа и формирования сверхширокополосных сигналов. М.: Радиотехника, 2004. - 128 с.

73. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е, М.: Энергия, 1975. - 528 с.

74. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн / Г.А Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д.Козырев, В.Г. Кочержевский; Под ред. Г.А. Ерохина. М.: Радио и связь, 1996. - 352 с.

75. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И.Воскресенского. 3-е изд. М.: Радиотехника, 2003.-632 с.

76. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов/ Н.Н. Фомин, Н.Н. Буга, О.В. Головин и др.; Под ред. Н.Н. Фомина 3-е изд. - М.: Радио и связь, 2003.-560 с.

77. Дженкинс. Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. -М.: Мир, 1972. т. 1.-285 с.

78. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. - 312 с.

79. Мартынов В.А., Селихов Ю.И. Панорамные приемники и анализаторы спектра / Под ред. Г.Д. Заварина. -2-е изд. М.: Советское радио, 1980.-352 с.

80. Гольденберг JI.M. и др. Цифровая обработка сигналов: Справочник / JI.M. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин, М.Н. Поляк. М.: Радио и связь, 1985.-312 с.

81. Карташев В.Г. Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1982. - 109 с.

82. Марпл СЛ. (мл.). Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. - 584 с.

83. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПБ.: Питер, 2005. -604 с.

84. Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций. / А.И.Солонина, Д.А. Улахович, Арбузов С.М. и др. СПб.: БХВ - Петербург, 2003.-608 с.

85. Яковлев А.Н. Основы вей влет-преобразования сигналов. М.: САЙНС-ПРЕСС, 2003. - 80 с.

86. Диаконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. М.: Солон-Р, 2002. - 448 с.

87. Функциональные устройства обработки сигналов (основы теории и алгоритмы): Учеб. пособие для вузов / С.А. Гаруздин, Ю.В. Егоров, Б.А. Калиникос и др. М.: Радио и связь, 1997. - 288 с.

88. Наумов К.П., Ушаков В.Н. Акустооптические сигнальные процессоры. М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. - 80 с.

89. Гринев А.Ю. Основы радиооптики. М.: Сайнс-пресс, 2003. - 80с.

90. Покровский Ф.Н. Материалы и компоненты радиоэлектронных средств. М: Горячая линия - Телеком, 2005. - 704 с.

91. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Радио и связь, 1982. - 280 с.

92. Дронов Д.В., Белов JI.A. Искажения сигналов в усилителях с безынерционной нелинейностью // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 9-ой междунар. НТК студентов и аспирантов 4-5 марта 2003 г.-М.,МЭИ, 2003.Т.1.-С. 117-118.

93. Амплитудно-фазовая конверсия / Е.А Богатырев, Г.М. Крылов, 3. В., Пруслин и др.; Под ред. Г.М. Крылова М.: Связь, 1979. - 256 с.

94. Спутниковая связь и вещание: Справочник. -3-е изд., Под ред. Л.Я. Кантора. М.: Радио и связь, 1997. - 528 с.

95. Хрюиов А.В., Иванов В.А. Взаимодействие двух гармонических сигналов в ЛБВ. // Доклады НТК МЭИ, Секция радиотехники. Подсекция теории колебаний М.: МЭИ, 1970. - С. 18-20.

96. Белов Л.А., Дронов Д.В. Искажения сигналов в широкополосных усилителях мощности // Радиотехнические тетради. 2004. - № 29. - С. 1418.

97. Белов Л.А., Дронов Д.В. Нелинейные эффекты при амплитудно-фазовом преобразовании в усилителе мощности спутникового ретранслятора // Радиотехника. 2005. - № 11. с. 97-99.

98. Ю2.Белов Л.А., Дронов Д.В. Преобразование амплитудной модуляции в фазовую в резонансном усилителе с варикапом // Вестник МЭИ. -2004.-№2.-С. 85-89.

99. Дронов Д.В. Влияние погрешностей закона ЧМ на характеристики радара подповерхностного зондирования // Радиотехнические тетради. -2005. -№32.-С. 31-33.

100. Баскаков А.И., Дронов Д.В., Мин-Хо Ка, Методика расчета допустимой нелинейности ЧМ генератора георадара // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2006. - № 3. - С. 55-59.

101. Дронов Д.В. Погрешности обработки информационного сигнала JI4M георадара в частотной области // Радиотехнические тетради. 2005. -№32.-С. 34-36.

102. Белов JI.A., Дронов Д.В. Исследование характеристик радара подповерхностного зондирования с использованием СШП JI4M сигналов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 11-ой Междунар.

103. НТК студентов и аспирантов 1-2 марта 2005 г.- М., МЭИ, 2005. Т.1. С. 3334.

104. Ш.Белов JI.A., Дронов Д.В. Исследование георадара с частотным сканированием для подповерхностного зондирования Земли // отчет по научно-исследовательской работе по теме № 2381040, МЭИ (ТУ), кафедра ФКС, 2004., 85 с.

105. Белов JI.A., Дронов Д.В. Лебединский А.С. Цифровое формирование и обработка сигналов: Учебное пособие / Под ред. Л.А. Белова М.: Издательство МЭИ, 2003. - 44 с.

106. Ханзел Г. Справочник по расчету фильтров / Пер. с немецкого под ред. А.Е. Знаменского. М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.

107. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964. - 576 с.

108. Крупип. В.Г. Математическая статистика. М.: МЭИ, 1993. - 60с.

109. Новицкий П.В. Зограф И.А. Оценка погрешностей измерений. -2-е изд., JI.: Энергоатомиздат., ленингр. отд-ние, 1991. - 304 с.

110. Дворяшии Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения. М.: Радио и связь, 1993. - 356 с.

111. Нефедов В.И., Хахин В.И., Федорова Е.В. Метрология и элек-трорадиоизмерения в телекоммуникационных системах / Под ред. В.И. Нефедова- М.: Высш. школа, 2001. 383 с.