автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Радиотехнический мониторинг балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей

На правах рукописи

Помозов Валерий Владимирович

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ БАЛЛАСТНОЙ ПРИЗМЫ И ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЕЙ

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ИЮН 2910

МОСКВА 2010

004604455

Работа выполнена на кафедре радиотехнических устройств и систем (РТУС) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» (МИРЭА).

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник, профессор

Титов Алексей Никитич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Каганов Вильям Ильич

доктор технических наук Башкиров Леонид Григорьевич

Ведущая организация: институт криминалистики центра

специальной техники ФСБ РФ

Защита состоится 25 июня 2010 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д212.131.01 при Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) по адресу: г.Москва, пр. Вернадского, д.78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119454, г. Москва, пр. Вернадского, д. 78, диссертационный совет Д 212.131.01.

Автореферат разослан _ 2010 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.131.01, д.т.н., профессор

Г.В. Куликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Осуществление возрастающих объемов перевозок на железной дороге связано с необходимостью повышения осевых нагрузок и скоростей движения поездов. Безопасность функционирования железнодорожного транспорта России в значительной мере определяется техническим состоянием рельсового пути и мерами по поддержанию его качества. В этих целях непрерывно развиваются методы мониторинга верхнего строения пути, который включает в себя диагностику состояния рельсовой колеи и дефектоскопию рельсов. Комплексная автоматизированная диагностика верхнего строения пути производится современными средствами диагностики, к которым относятся: ваго-ны-путеизмерители, вагоны-дефектоскопы, диагностические комплексы («Интеграл», «Эра»). Они дают информацию о состоянии пути с занесением данных в общие базы для дальнейшего сопоставления с полученной за предыдущие периоды информацией. Необходимо отметить, что на серийных путеизмерительных комплексах отсутствуют технические средства, позволяющие проводить диагностику балластной призмы и земляного полотна в высокоскоростном режиме.

Радиотехнический метод мониторинга в сочетании с другими техническими средствами может обеспечить получение непрерывной и достоверной информации о состоянии железнодорожного пути.

Достоинствами радиотехнического метода являются:

— возможность получения непрерывной информации о состоянии балластного слоя и земляного полотна (границы раздела сред, неоднородности в среде, переувлажнение грунтов) в условиях большого количества помех, создаваемых инфраструктурой железной дороги;

-- возможность проведения диагностики при больших скоростях движения с отрывом антенн от поверхности исследуемой среды (бесконтактная диагностика);

— повышение качества съемки за счёт использования каналов на различных частотных диапазонах.

Таким образом, для решения задач мониторинга балластной призмы и земляного полотна железных дорог существует настоятельная необходимость осуществления разработки и внедрения высокопроизводительного специализированного радиотехнического комплекса. Несмотря на существенные достижения в развитии подобных зондирующих приборов, используемых в геофизике, строительстве и других областях, существует целый ряд неисследованных и нерешенных специфичных вопросов, связанных с особо сложными условиями работы оборудования и сложностью решаемых задач для мониторинга ЖД путей. В связи с этим исследуемые в работе научные задачи являются актуальными.

Целью диссертационной работы является разработка научных основ и технических решений, обеспечивающих возможность мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей радиотехническими методами.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать применимость метода радиотехнического мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей;

2. Исследовать спектральные характеристики типовых видов импульсов возбуждения передающей антенны и выбрать приемлемый способ возбуждения;

3. Провести анализ и выбор радиотехнических методов формирования зондирующих сигналов для комплекса;

4. Исследовать пути создания импульсных антенн радиотехнического комплекса и проанализировать характеристики наиболее известных импульсных антенн с целью определения их пригодности для использования в комплексе, разработать импульсную антенну с повышенным уровнем подавления сигналов в задней полусфере и разработать методику измерения её направленных свойств;

5. Предложить алгоритмы обработки сигналов с целью максимального повышения наглядности, а также с целью автоматизации интерпретации результатов мониторинга железнодорожного пути.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы статистической радиотехники, спектрального анализа, математического моделирования и анализа электродинамических задач, методы объектно-ориентированного программирования, натурное моделирование и эксперимент.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Определён оптимальный вид импульса возбуждения передающей антенны радиотехнического комплекса с учётом проведенных исследований спектральных характеристик различных видов импульсов возбуждения;

2. Исследованы пути создания импульсных антенн радиотехнического комплекса. Разработана импульсная антенна с повышенным уровнем подавления сигналов в задней полусфере. Разработана методика измерения направленных свойств импульсной антенны;

3. Предложен новый алгоритм обработки результатов зондирования, компенсирующий последствия влияния переотражений между дном вагона, антенной и средой;

4. Разработаны новые алгоритмы, позволяющие автоматизировать процесс обработки сигналов и интерпретацию результатов зондирования.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований обуславливают основные технические решения, связанные с разработкой радиотехнического комплекса для мониторинга состояния балластной призмы и земляного полотна, что необходимо для производства и контроля ремонтов, прогнозирования стабильности земляного полотна железных дорог, проведения диагностики железнодорожного пути на скоростях движения вплоть до 120 км/ч. По исследуемой теме получены два патента.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы и внедрены при разработке радиотехнического комплекса и его модификаций для мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей, который в 2009 году после проведения опытной эксплуатации вклю-

ней в состав серийно выпускаемых диагностических вагонов-лабораторий «Интеграл» и «Эра».

2. Разработана модификация комплекса для использования на диагностических железнодорожных тележках и на мобильной лаборатории «ЛДМ-1».

3. Разработанная импульсная антенна и алгоритмы, автоматизирующие процесс обработки и интерпретации результатов зондирования внедрены в серийно выпускаемые георадары «ОКО-2», предназначенные для оснащения автомобильных дорожных лабораторий.

Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований, апробацией предложенных решений на примерах, совпадением результатов теоретического анализа, численного математического моделирования на тестовых объектах и натурного эксперимента, а также результатами приемо-сдаточных испытаний радиотехнического комплекса.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на конференциях: «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», г. Муром, 2006г.; «Георадар-2004», г. Москва, 2004г.; «Сверхширокополосные сигналы и системы» и\¥В815 -2004, Украина, г.Севастополь, 2004г.; «Инженерная геофизика», г. Геленджик, 2005г.; «Инженерная геофизика», г. Геленджик, 2006г.; «Инженерная геофизика», г. Геленджик, 2007г.; «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», г. Москва 2007г.; XXVI Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред», г. Санкт-Петербург, 2009г.; «Инженерная и рудная геофизика» 2008г., г. Геленджик; «Инженерная и рудная геофизика»-2009г., г. Геленджик.

Публикации. По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликована 21 печатная работа, из них: 11 научных статей, 10 тезисов докладов, получено два патента.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Для возбуждения передающих антенн целесообразно использовать метод «ударного возбуждения антенны» импульсом с формой моноцикла. При этом достигается наибольшая степень согласования спектра импульса с частотной характеристикой передающей антенны;

2) Для устранения переотражений необходимо исключить фидерный тракт в приёмной и передающей частях радиотехнического комплекса, располагая формирователь импульсов непосредственно на выходе передающей антенны, а усилитель - непосредственно на входе приёмной антенны. Для уменьшения отражений импульсных сигналов от концов раскрыва приемной и передающей антенны необходимо демпфирование антенн с помощью объемного радиопогло-щающего материала и концевых резисторов;

3) При построении формирователей импульсов радиотехнического комплекса целесообразно использовать схемотехнические решения на базе лавинных транзисторов;

4) Для минимизации экранирующего влияния шпал вектор электрического поля приемных и передающих антенн должен быть перпендикулярен шпалам;

5) Алгоритм обработки сигналов "подавление переотражений" позволяет ослабить на 6... 10 дБ величину помех, вызванных переотражениями зондирующих импульсов между дном вагона, антенной и средой;

6) Для автоматизации процесса выделения на радарограммах участков с повышенным содержанием влаги и построения границ раздела сред целесообразно использовать алгоритмы, основанные на анализе относительного изменения энергии отраженных сигналов в процессе перемещения вдоль исследуемого пути.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 183 стр. машинописного текста, содержит 6 таблиц, 76 рисунков, 1 приложение, 34 формулы, библиография включает 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и задача исследований, показаны научная новизна и практическая значимость исследуемых вопросов, дается краткое содержание глав работы.

В первой главе диссертационной работы подчёркнута роль железнодорожного транспорта как основного звена в транспортной системе народного хозяйства РФ. Для повышения эффективности ЖД транспорта ОАО «РЖД» предусматривает увеличение объема перевозок. Планируется увеличение нагрузки на ось до 40 т. и увеличение скорости движения поездов: грузовых до 120, пассажирских до 210 км/ч. Рост веса поездов и скоростей ведёт к ускоренному износу путевого хозяйства. Это ведёт к необходимости оперативного качественного мониторинга состояния железнодорожных путей. В связи с этим необходимы новые технологии и системы контроля качества пути. Наиболее информативные технологии мониторинга могут быть также использованы в создаваемых в настоящее время системах противодействия террористическим угрозам. Комплексная автоматизированная диагностика верхнего строения пути производится современными средствами диагностики: вагоны-путеизмерители, вагоны-дефектоскопы, диагностические комплексы («Интеграл», «Эра»), Тем не менее оказалось, что на серийных путеизмерительных комплексах отсутствуют технические средства, позволяющие проводить диагностику балластной призмы и земляного полотна в высокоскоростном режиме.

Были выявлены достоинства радиотехнического метода диагностики, показана актуальность разработки высокопроизводительных методов диагностирования состояния балластной призмы и земляного полотна железнодорожного пути. С помощью радиотехнического метода возможна оценка изменения свойств материалов основания пути и оценка степени загрязнения балластного слоя. Сделаны выводы, что применение этого метода диагностики в сочетании с другими геофизическими методами может обеспечить получение непрерывной и

достоверной информации о состоянии объектов земляного полотна, повысить качество проектных решений, снизить затраты ресурсов при текущем содержании и ремонтах железнодорожного пути.

Приведен обзор зарубежных и отечественных технологий радиолокационного мониторинга железнодорожных насыпей, выявлены системные недостатки существующих технических решений. Определены технические требования к радиотехническому комплексу с учётом особых условий работы в составе путеизмерительных вагонов:

1) Запись информации должна вестись по трем каналам (ось и обочины

пути);

2) Необходимо обеспечивать детализацию структуры балластного слоя, а также обеспечить глубину контроля до 2-3 м с учетом повышенного уровня затухания в рабочем диапазоне частот из-за накопленных загрязнений пути;

3) Должно обеспечиваться высокое качество зондирования при наличии экранирующего воздействия железобетонных шпал и интенсивных помех, возникающих при работе в условиях железнодорожной инфраструктуры на скоростях движения вагонов до 120 км/ч;

4) Антенны радиотехнического комплекса должны размещаться в ограниченном подвагонном пространстве с отрывом от поверхности на 50-60 см;

5) Программное обеспечение комплекса должно обеспечивать обработку записанных радарограмм и их интерпретацию с использованием автоматических методов.

В главе 2 рассмотрены основные особенности сверхширокополосных сигналов, обобщены основные отличия процессов, происходящих при излучении узкополосных и сверхширокополосных сигналов. Был проведен критический обзор определений сверхширокополосного сигнала. Уточнены вопросы терминологического характера для сверхширокополосных сигналов.

Отмечено, что важным параметром, характеризующим возможность применения радиотехнического метода в различных средах, является удельное затухание среды. Проведенный анализ опубликованных разрозненных данных позволил составить сводную таблицу электрических характеристик в рабочем диапазоне частот радиотехнического комплекса различных пород, используемых при строительстве железнодорожного пути.

В работе исследованы особенности КПД импульсных антенн, важность которого наглядно показана на примере использования рупорной антенны при её возбуждении сигналами в виде перепада напряжения и моноцикла. Предложен инженерный метод оценки КПД импульсных антенн. В соответствии с ним импульсная антенна рассматривается как преобразователь энергии сверхкороткого электрического импульса, возбуждающего антенну, в энергию сверхкороткого электромагнитного импульса (в режиме передачи) и обратного преобразования в режиме приема. В этом случае под КПД импульсной антенны можно понимать величину, определяемую соотношением

где Е„Т1- энергия электромагнитного импульса, излученная импульсной антенной; Еотр- энергия отраженного сверхкороткого импульса, распространяющегося в линии передачи, соединяющей генератор сверхкоротких импульсов (передатчик) и импульсную антенну; ЕпОТ- энергия тепловых потерь в конструкции антенны.

В результате рассмотрения спектральных характеристик и особенностей различных видов импульсов возбуждения передающих антенн комплекса было показано, что для обеспечения максимального КПД импульсной антенны наиболее целесообразно использовать для возбуждения антенн импульс с формой моноцикла, обладающий наибольшей степенью согласования с частотной характеристикой передающей антенны комплекса. Были экспериментально и теоретически исследованы три вида форм ударного возбуждения антенн: Гауссов импульс, Гауссов моноцикл и перепад напряжения. Моделирование импульсных сигналов и расчёт их основных характеристик проводились в среде математической программы Maple. При расчёте Гауссовых импульсов использовалась общая формула:

где т - консшгта, характеризующая временной масштаб, п - порядок импульса.

Для моделирования сверхкороткого перепада напряжения были использованы формулы для сигналов ступенчатого вида:

где т определяет время изменения функции, а знак ± обозначает возрастание или спад ступеньки.

Исследования показали, что рассогласования в высокочастотном тракте приводят к появлению паразитных переотраженных сигналов, которые искажают результаты радиолокационного зондирования. Оказалось целесообразным формирователь импульсов располагать непосредственно на входе передающей антенны, а входной усилитель приёмного устройства непосредственно подключать к выходу приёмной антенны. Для уменьшения отражений импульсных электрических сигналов от концов раскрыва приемной и передающих антенн были исследованы варианты демпфирования антенн с помощью объемного радиопоглощающего материала и концевых резисторов.

Проведенный анализ показал, что нынешнее состояние доступной элементной базы не позволяет обеспечить режим прямой оцифровки отражённых сигналов радиотехнического комплекса. По этой причине предложено использовать стробоскопический режим работы приёмника, что ведёт к многократному увеличению требуемой частоты повторения для формирователя импульсов. Для использования в комплексе было разработано стробоскопическое устройство, обеспечивающее преобразование сигналов в аналоговой полосе частот до 1.5 ГГц при частоте повторения до 1МГц. С учётом всех рассмотренных условий сформулированы основные требования к параметрам формирователя импульсов, возбуждающего передающую антенну.

(2)

(3)

Был проведен анализ возможных схемных решений формирователей импульсов для радиотехнического комплекса с использованием различных активных элементов. Исследована возможность использования полупроводниковых приборов - дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и диодных обострите-лей на основе задержанной ионизации (ДО). Были выявлены существенные недостатки, которые снижают возможность использования этих элементов в формирователях импульсов для комплекса. Собственная многолетняя практика, связанная с разработкой георадаров различного назначения, показала, что формирователи импульсов с использованием лавинных транзисторов обладают уникальным сочетанием основных параметров.

В результате проведения многочисленных экспериментов было установлено, что приемлемые параметры импульсов обеспечиваются формирователем с использованием лавинного пробоя транзисторов КТЗ15, которые предварительно были отобраны по специальной методике. Для увеличения амплитуды импульсов было предложено каскадирование транзисторов. Было установлено, что увеличение числа каскадов транзисторов выше 3 является уже малоэффективным. При опытной отработке формирователя импульсов было установлено, что в момент перехода транзисторов из состояния лавинного пробоя в высокоомное состояние ((1) рис.1) на сопротивлении нагрузки возникает дополнительный импульс малой амплитуды, который при определённых условиях может являться пассивной помехой. Было выявлено, что с помощью оптимизации элементов схемы формирователя импульсов момент появления этого импульса может быть выведен за зону анализируемых сигналов.

В главе 3 сформулированы общие требования, предъявляемые к антеннам радиотехнического комплекса. Проведенные эксперименты на реальных участках железной дороги позволили сделать вывод, что для минимизации экранирующего влияния шпал вектор электрического поля приемных и передающих антенн должен бьггь перпендикулярен шпалам. В подвагонном пространстве рядом с антеннами комплекса располагается множество металлических элементов, которые являются источниками пассивных помех. Борьба с этими помехами предполагает использование дополнительных мер по повышению экранировки используемых антенн.

Рассмотрены общие особенности проектирования сверширокополосных и импульсных антенн. Сформулированы качественные различия в общих свойствах антенн различных классов - узкополосные, сверхширокополосные и импульсные. Показано, что импульсные антенны можно рассматривать в качестве универсальных антенн.

Рис. 1

Анализ конструкций и характеристик широкополосных антенн позволил сделать заключение, что приближение их частотных характеристик к потенциально достижимым оказывается тем лучше, чем полнее конфигурация антенны вписывается в сферу. С учётом этого положения широкополосные антенны можно расположить в порядке возрастания широкополостности (рис.2): 1 - линейная антенна, 2 - плоская симметричная вибраторная антенна, 3 - плоская спиральная антенна, 4 - симметричный вибратор, плечами которого являются сфероконусы, 5 - ТЕМ-рупор.

1 2 3 4 5

Рис. 2

В работе затронуты важные аспекты проектирования сверхширокополосных и импульсных антенн и приводятся общие рекомендации, направленные на повышение их эффективности. Сформулированы общие выводы для проектирования антенн разрабатываемого радиотехнического комплекса.

Рассмотрены различные известные виды сверхширокополосных и импульсных антенн. Проанализирована возможность использования сверхширокополосных антенн в качестве импульсных, а также возможность использования в радиотехническом комплексе наиболее известных типов импульсных антенн.

Показано, что ни один из видов рассмотренных антенн по своим характеристикам не удовлетворяет в полной мере требованиям, необходимым для работы в составе радиотехнического железнодорожного комплекса. В связи с этим возникла необходимость разработки специализированной антенны, удовлетворяющей повышенным требованиям по экранировке для размещения в подвагонном пространстве вагона-лаборатории. Особое внимание было уделено на проблему, связанную с возникновением переотраженных сигналов между рас-крывом антенны и поверхностью исследуемой среды. Определено, что использование разнесённого варианта передающей и приемной антенн (как в бистати-ческой локации) снижает на 30...40 дБ необходимую величину динамического диапазона приёмного устройства.

В качестве наиболее перспективных для использования в разрабатываемом радиотехническом комплексе рассмотрены два вида антенн: ТЕМ-рупорные и экранированные дипольные антенны. Общим недостатком рассмотренных конструкций рупорных антенн является невысокие параметры экранировки. С целью существенного улучшения этого параметра нами была разработана новая рупорная антенна (рис.3). В такой антенне отсутствует частотная дисперсия, что способствует импульсности антенны.

Благодаря этому антенна имеет выраженный максимум излучения, направленный вдоль оси конструкции, т.е. достигается экранировка бокового излучения. За основу этой антенны была взята коаксиальная линия передачи квадратного сечения с линейно увеличивающимися размерами. Таким образом, внешняя часть коаксиальной линии представляет собой металлическую пирамидальную конструкцию, в боковых гранях которой прорезаны продольные щели. Данная импульсная антенна представляется перспективной и находится на стадии дальнейшего более полного изучения. Значительную продольную длину следует отнести к основному недостатку этой антенны.

Сформулированы недостатки присущие ТЕМ-рупорым антеннам.

1) Антенны обладают слабой экранировкой. Проведенные эксперименты подтвердили, что в условиях работы на железной дороге данный вид антенн не обеспечивает приемлемый уровень защиты от помех.

2) ТЕМ-рупорные антенны с требуемой для радиотехнического комплекса

центральной частотой 400...500МГц в силу своих больших продольных габаритов не могут быть размещены под днищем вагона.

Для радиотехнического комплекса была разработана импульсная антенна с повышенным уровнем подавления сигналов в задней полусфере. В конструкцию антенны со стороны излучающей части антенного блока АБ-400М был добавлен

Рис. 4 расширяющийся раструб-рупор (рис.4).

Геометрические размеры раструба оптимизировались с использованием математического моделирования с помощью программного пакета CST MICROWAVE STUDIO с последующей коррекцией по результатам макетирования.

Была разработана методика оценки направленных свойств импульсной антенны с использованием базовых компонентов серийного георадара «ОКО-2». Эта оценка проводилась по максимальной амплитуде лепестков эпюры сигналов, обусловленных отражениями от перемещаемого металлического листа.

Следует отметить, что измеренную по предлагаемой методике характеристику направленных свойств антенного блока нельзя назвать ДН антенны в классическом смысле, а более правильно назвать зависимостью амплитуды максимального лепестка сигнала (отражённого от листа) в нагрузке приёмной антенны от направления его прихода. Для упрощения терминологии в дальнейшем было принято решение использовать для измеряемой характеристики название ДН. На рис.5 приведены измеренные таким образом пиковые диаграммы направленно-

сти в Е и H плоскостях для экранированной АБ-400 в моноблочном исполнении и рупорной АБ-400Р.

Эксперименты показали, что разработанный рупорный антенный блок АБ-400Р даёт по сравнению с АБ-400 дополнительное (на 15... 18 дБ) подавление сигналов из задней полусферы. Оценка направленных свойств антенных блоков проводилась с последовательным использованием нескольких видов импульсов возбуждения передающей антенны. Использовались генераторы, формирующие моноцикл с длительностью 1.8...2.2 не, а также формирователи перепада напряжения с фронтом 0.5...0.7нс. Было установлено, что для разработанного рупорного антенного блока АБ-400Р наиболее оптимальной формой возбуждающего импульса является перепад напряжения с фронтом 0.5...0.6 не.

В проведенных измерениях ДН антенн эффективным инструментом для выделения полезного сигнала и подавления мешающих отражений от неподвижных объектов оказался алгоритм вычитания регулярных помех:

g pi («) = gP, («) - а, («). < = J+Na~ i; (4)

где - отсчет i-й реализации принятого сигнала; а ■(">. средний уровень сигнала; N » - число реализаций (осциллограмм).

В четвертой главе в соответствии с сформулированными задачами были разработаны и исследованы алгоритмы обработки сигналов радиотехнического комплекса. Общая структура обработки разбита на два функционально законченных этапа (рис.6) - предварительная обработка сигналов и автоматическая обработка радарограмм. Первый этап обработки сигналов предусматривает комплекс мер с целью максимального повышения наглядности радарограмм для дальнейшей их интерпретации.

Рис.6

Конечной целью обработки сигналов является:

• уточнение структуры балластной призмы ж/д полотна с выделением границ и определением толщины каждого слоя;

• выделение участков с повышенной влажностью;

• выявление участков с балластными нарушениями;

• оценка состояния щебеночного слоя (степень загрязнённости).

Проведенные опытно-методические исследования позволили определить

наиболее эффективные алгоритмы обработки, которые целесообразно использовать на предварительном этапе обработки данных радиотехнического комплекса. Второй этап обработки (автоматическая интерпретация радарограмм) является наиболее важной и сложной частью общего алгоритма обработки сигналов, с помощью которого осуществляется выделение границ слоев и выделение участков с дефектами в автоматическом режиме. Эта задача подразумевает работу с двухмерными массивами информации - радарограммами и её можно по ряду признаков отнести к классу задач по распознаванию образов. Успешное решение этой задачи является существенным преимуществом разрабатываемого комплекса.

Для используемых антенн (моноблочная конструкция) характерным является большой уровень прямого просачивания сигнала с передающей антенны на приёмную, который также, как и отражения от близко расположенных конструктивных элементов вагона, маскирует анализируемые отраженные сигналы. Указанные виды помех неизменно повторяются на всех циклах зондирования. Эффективным методом их устранения оказался метод "вычитание среднего". Суть этого метода заключается в вычитании из каждой регистрируемой очередной сигнальной трассы трассы, усредненной на некотором интервале радарограммы.

Для устранения модуляции амплитуды отражённых сигналов от исследуемых слоев, вызванной взаимным перемещением шпал и комплекса, что при-

водило к снижению наглядности радарограмм, был предложен алгоритм обработки «горизонтальная фильтрация». Суть его состоит в фильтрации цифровых массивов с целью устранения модуляционных компонент спектра. В итоге обработанный двумерный массив имеет вид:

г(иД) = £;/(Охл>а-о, (6)

/-0

где N - длина фильтра, Г(1)- коэффициенты КИХ-фильтра.

В качестве эффективного метода повышения разрешающей способности по дальности предложен алгоритм обработки "обратная фильтрация ". Связь между выходным и входным сигналами такого фильтра описывается интегральным уравнением:

КО =]*(*)*,('-, (7)

где /(О - выходной, а входной сигналы фильтра,

И | (() - импульсная характеристика фильтра. Синтез такого фильтра сводится к решению вариационной задачи поиска максимума функционала:

/, = КО) = = ]С(/)Я,(/)# , (8)

где 0(1), Н,(/)и Уф - преобразования Фурье функции £(1), Ь,(/), /(I). Максимизация функционала при указанных ограничениях означает минимизацию длительности импульса у(1.). Решение вариационной задачи относительно Н^Л дает:

С(/)хО*(Л (1-*) + *хС7(/)г

Для программной компенсации последствий переотражений зондирующих сигналов между дном вагона, антенной и средой был разработан и внедрён новый алгоритм обработки записанных радарограмм - «подавление переотражений». Алгоритм обработки описывается следующей формулой :

Г(п) = Х(п)-КхХ(.п-2г), (10)

где У(п)- результат обработки, Х(п)- исходная трасса, К -масштабный коэффициент, п - номер отсчёта в трассе, г - задержка переотражённого сигнала. В связи с тем, что при движении комплекса свойства верхнего слоя непрерывно изменяются, а антенны комплекса вместе с вагонной рамой совершают механические колебания, то для каждой очередной трассы пришлось предусмотреть автоматическую коррекцию значений коэффициентов К к г. Их текущее значение подбирается из условия обеспечения минимума функционала :

(и)

1

Проведенные в рамках работы исследования по разработке новых алгоритмов обработки автоматизирующих процесс интерпретации радарограмм, по-

У/ ^ ' 0<к< 1 (9)

казали, что наибольшую эффективность и стабильность результатов обеспечивают алгоритмы, основанные на анализе характера относительного изменения энергии отраженных сигналов вдоль радарограмм. При обработке производится расчёт огибающей и фазы анализируемого сигнала х(0 по формулам:

Л(0 = М0 + /(0 . . '(12)

<р(1) = агс1§(у(1)/х(1)), (13)

где у(0 - преобразование Гильберта анализируемого импульсного сигнала х(1), рассчитанное по формуле:

0 = (14)

л Ч - I

На радарограммах выделяются области с характерными изменениями, отличающимися от соседних областей радарограммы более высокой или более низкой энергией сигнала. Это соответствует, например, участкам повышенной влажности, не имеющим четких отражающих границ, участкам неровных и плохо отражающих границ. Алгоритм обработки с использованием преобразования Гильберта был разработан и успешно применён в специализированной программе «Анализ», созданной для автоматической интерпретации радарограмм радиотехнического комплекса. Это позволяет автоматизировать процесс выделения на радарограммах участков пути с повышенным содержанием влаги, а также построения предполагаемых границ раздела сред. Автоматизация построения на радарограммах границ зондируемых сред была достигнута за счёт алгоритма, основанного на анализе динамики изменения первой и второй производной энергии отражённых сигналов по координатам пройденный путь-глубина. После нахождения особых точек вдоль трасс происходит многоуровневое итеративное вычисление оптимального варианта интерпретации границ слоёв.

В пятой главе приведена информация об итогах разработки и внедрения многоканального высокоскоростного комплекса для радиотехнического мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей, разработанного на основе научных и практических результатов диссертационной работы. Многоканальный радиотехнический комплекс может использоваться автономно на любой подвижной единице.

Радиотехнический комплекс с 2009 года после проведения успешной опытной эксплуатации был включён в состав серийно выпускаемых диагностических вагонов-лабораторий «Интеграл» (г. Москва) и «Эра» (г. Самара), которые позволяют получать комплексную информацию о состоянии пути в плане и профиле с занесением в общие базы данных для дальнейшего сопоставления с полученной информацией за предыдущие периоды. Эти диагностические вагоны-лаборатории позволяют проверять ширину колеи, положение рельсовых нитей по уровню и положению пути в плане, выявлять просадки, а также уточнять уклоны и кривизну продольного профиля пути, определять боковой износ рельсов, короткие неровности на поверхности катания рельсов. Внедрение радиотехнического мониторинга на диагностических вагонах-лабораториях позволило проводить в скоростном режиме и диагностику балластной призмы и земляного

полотна, что является значимым фактором, так как выявляемые при этом дефекты являются, как правило, причиной развития дефектов рельсового пути.

ЗАО «Фирма ТВЕМА» разработало с использованием трёхканального радиотехнического комплекса (с модифицированными антенными блоками) мобильную лабораторию диагностики, паспортизации и мониторинга состояния рельсового пути с универсальным комбинированным ходом - «ЛДМ-1».

За последние два года (по данным информации отдела КИДС Центра ИССО ОАО "РЖД") диагностическими вагонами-лабораториями "Эра", КВЛ-П ПС-007 и "Интеграл", оснащёнными радиотехническими комплексами, был осуществлён большой объём (более 7тыс. км) комплексных диагностических обследований железнодорожных путей.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы, предложено ее дальнейшее развитие.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1) Для возбуждения передающей антенны целесообразно использовать «метод ударного возбуждения антенны» импульсом с формой моноцикла, так как при этом достигается наибольшая степень согласования спектра импульса с частотной характеристикой передающей антенны.

2) Для устранения переотражений необходимо исключить фидерный тракт в приёмной и передающей частях радиотехнического комплекса. Для уменьшения отражений импульсных сигналов от концов раскрыва приемной и передающей антенны необходимо демпфирование антенн с помощью объемного радиопоглощающего материала и концевых резисторов.

3) Проведенный анализ возможных схемных решений формирователей импульсов с использованием различных активных элементов показал, что наиболее перспективными являются схемные варианты решений на базе лавинных транзисторов.

4) Вектор электрического поля приемных и передающих антенн должен быть перпендикулярен шпалам для минимизации экранирующего влияния шпал.

5) Разработанный вариант импульсной экранированной антенны с раструбом обеспечивает дополнительно подавление сигналов из задней полусферы на 12... 18 дБ.

6) Разработанная методика позволила провести измерения направленных свойств импульсной антенны с использованием базовых компонентов георадара «ОКО-2».

7) Предложенный алгоритм предварительной обработки обеспечивает подавление неинформативных сигналов на радарограммах и повышает наглядность радарограмм.

8) Разработанный алгоритм обработки «подавление переотражений» эффективно обеспечивает программную компенсацию на записанных радарограммах имеющихся переотражений между дном вагона, антенной и поверхностью среды.

9) Разработанные алгоритмы, основанные на анализе характера относительного изменения энергии отраженных сигналов, позволили на радарограммах

автоматизировать процесс выделения участков с повышенным содержанием влаги и построение границ раздела сред.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Помозов В.В. Антенная система георадарного комплекса для мониторинга балластной призмы железнодорожного пути // Успехи современной радиоэлектроники. М.: Радиотехника, 2009. №1-2. С.162-166.

2. Помозов В.В. Антенная система георадарного комплекса для мониторинга балластной призмы железнодорожного пути // Широкополосные и сверхширокополосные сигналы и системы. Сборник статей / Под. ред. АЛО. Гринёва. М: Радиотехника, 2009. С.162-166.

3. Помозов В.В. (в группе соавторов) Биорадиолокация, Коллективная монография / Под ред. Бугаева A.C., Ивашова С.И., Иммореева И.Я., М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. С.282-293.

4. Помозов В.В., Монахов В.В., Пудова Н.Г. Методика интерпретации высокоскоростного георадарного профилирования балластной призмы с использованием программного модуля автоматического экспресс-анализа // Тез. докл. межд. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика 2009». Геленджик, 2009. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

5. Хакиев З.Б., Помозов В.В., Явпа В.А. Количественная интерпретация геора-дарограмм влажного грунта // Тез. докл. межд. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика 2009». Геленджик, 2009. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

6. Титов А.Н., Помозов В.В., Дудник A.B. Георадарный комплекс для обследования железнодорожных путей // Тез. докл. XXVI всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». С-Пб. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

7. Помозов B.B. В.А. Внедрение георадарного метода для скоростного мониторинга земляного железнодорожного полотна // Вестник РГУПС. 2008. №2. С. 105-111.

8. Помозов В.В. Многоканальный георадарный комплекс для обследования железнодорожных насыпей // Тез. докл. четвёртой межд. науч.-практ. конф. «Инженерная и рудная геофизика». Геленджик, 2008. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

9. Помозов В.В., Семейкин Н.П. Развитие многоканального георадарного комплекса для скоростного мониторинга железнодорожного полотна // Тез. докл. четвёртой межд. науч.-практ. конф. «Инженерная и рудная геофизика». Геленджик, 2008. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

10. Семейкин Н.П., Помозов В.В. Геофизические приборы нового поколения И Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. №12. С.203-210.

11. Помозов B.B. Пути увеличения глубинности георадаров «ОКО» // Тез. докл. четвёртой межд. науч.-техн. конф. «Современные проблемы проектирования, строительство и эксплуатация железнодорожного пути». М.,:2007. С.39.

12. Колесников В.И., Явна В.А. , Помозов В.В., Дудник A.B. Использование подвижного состава для георадиолокационной диагностики железнодорожного пути. П Тез. докл. межд. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика 2007». Геленджик, 2007.С. 147-149.

13. Дудник A.B., Помозов В.В. Определение местоположения движущихся объектов, расположенных за непрозрачными преградами // Сб. докладов второй всероссийской научной конференции-семинара «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», 4-7 июля 2006г. Муром, 2006. С. 261.

14. Дудник А.В, Помозов В.В., Семейкин Н.П. Георадарный скважинный комплекс // Тез. докл. межд. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика». Геленджик, 2006. С.65.

15. Семейкин Н.П., Помозов В.В., Дудник A.B. Новые возможности современных георадаров, связанные с развитием аппаратной базы // Приборы и системы разведочной геофизики. 2006. №2. С.35-37.

16. Семейкин Н.П., Помозов В.В., Дудник A.B. Развитие георадаров серии "ОКО" // Наукоемкие технологии. 2005. №7. С.62-65.

17. Белый Ю.И., Помозов В.В., Семейкин Н.П. Радиолокаторы подповерхностного зондирования и сейсмоакустическая аппаратура // Наукоемкие технологии. 2005. №2. С.30-37.

18. Семейкин Н.П., Помозов В.В., Дудник A.B. Развитие георадаров серии «ОКО» // Вопросы подповерхностной радиолокации / Под ред. А.Ю. Гринёва. М.: Радиотехника, 2005. С. 231-236.

19. Семейкин Н.П., Помозов В.В., Дудник A.B. Расширение спектра георадарных задач как следствие совершенствования аппаратной базы // Разведка и охрана недр. 2005. Xsl2. С. 18-21.

20. Помозов В.В., Титов А.Н. Георадарный скважинный комплекс // Тез. докл. 55-ой науч.-технич. конф. МИРЭА, часть 3- технические науки. Москва, 2006. С122-126.

21. Помозов В.В., Семейкин Н.П., Титов А.Н. Видеоимпульсный георадар «ОКО-MI» // Тез. докл. восьмой межд. науч.-технич. конф. «Радиолокация, навигация, связь», том 1. Воронеж, 2002. С. 1603-1608.

АВТОРСКИЕ РЕШЕНИЯ, ЗАЩИЩЕННЫЕ ПАТЕНТАМИ

1. Патент № 2200332 РФ. Радиолокатор для обнаружения неоднородностей в подповерхностном слое земли/ Помозов В.В., Семейкин Н.П., Дудник A.B. и др. (РФ); Заявка № 2002111021 от 25.04.2002; Приоритет от 25.04.2002.

2. Патент № 2220483 РФ. Рупорная антенна./ Помозов В.В., Семейкин Н.П., Титов А.Н., Титов A.A. Заявлен 19.12.2001; Приоритет 19.12.2001.

Подписано в печать 12.05.2010. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 321

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор технологий дистанционного мониторинга железнодорожных насыпей. Определение круга научных задач.

1.1 Современное состояние железнодорожного транспорта.

1.2 Технические проблемы железнодорожного транспорта.

1.3 Средства мониторинга железнодорожного пути.

1.4 Радиотехнический метод.

1.4.1 Практика использования радиотехнических комплексов за рубежом.

1.4.2 Основные требования к радиотехническому комплексу.

ГЛАВА 2. Выбор вида зондирующего сигнала и способа его формирования для радиотехнического комплекса.

2.1 Свойства сверхширокополосных сигналов.

2.2 Требования к формирователю зондирующих импульсов для радиотехнического комплекса.

2.2.1 Влияние параметров сигналов на характеристики радиотехнического комплекса.

2.2.2 Влияние электрических характеристик зондируемых сред на выбор зондирующего сигнала.

2.2.3 Выбор вида зондирующего сигнала.

2.2.4 Коэффициент полезного действия импульсных антенн.

2.2.5 Спектральные характеристики импульсов возбуждения.

2.2.6 Особенности согласования формирователя импульсов с антенной.

2.2.7 Определение требований к формирователю импульсов .65 2.3 Формирователи импульсов для радиотехнического комплекса.

2.3.1 Формирователи импульсов на диодах с резким восстановлением.

2.3.2 Формирователи импульсов с диодными обострителями

2.3.3 Формирователи импульсов на лавинных транзисторах.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Исследование путей создания импульсных антенн радиотехнического комплекса.

3.1 Общие требования к антеннам радиотехнического комплекса.

3.2 Подходы к проектированию антенных устройств.

3.3 Узкополосные, сверхширокополосные и импульсные антенны.

3.4 Общие особенности проектирования сверхширокополосных и импульсных антенн.

3.5 Возможность использования сверхширокополосных антенн в качестве импульсных.

3.6 Возможность использования наиболее известных типов импульсных антенн.

3.6.1 ТЕМ-рупорные антенны.

3.6.2 Дипольные антенны.

3.7 Импульсная антенна для радиотехнического комплекса.

3.7.1 Выбор варианта импульсной антенны.

3.7.2 Результаты математического моделирования.

3.7.3 Экспериментальные результаты.

Методика эксперимента.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Алгоритмы обработки сигналов радиотехнического комплекса.

4.1 Известные методы обработки сигналов и возможность их использования в радиотехническом комплексе.

4.2 Технические требования, предъявляемые к алгоритмам обработки сигналов радиотехнического комплекса.

4.3 Особенности обработки сигналов радиотехнического комплекса.

4.3.1 Выбор способа визуализации регистрируемых сигналов.

4.3.2 Алгоритм обработки « вычитание среднего».

4.3.3 Алгоритм обработки «горизонтальная фильтрация».

4.3.4 Алгоритм обработки «обратная фильтрация».

4.3.5 Алгоритм обработки «подавление переотражений».

4.4 Выработка оптимального автоматического алгоритма анализа радарограмм.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5 Результаты внедрения радиотехнического мониторинга.

Актуальность темы. Осуществление ^ возрастающих объемов перевозок на железной дороге связано с необходимостью повышения осевых нагрузок и скоростей движения поездов. Безопасность функционирования железнодорожного транспорта России в значительной мере определяется техническим состоянием рельсового пути и мерами по поддержанию его качества. В этих целях непрерывно развиваются методы мониторинга верхнего строения пути, который включает в себя диагностику состояния рельсовой колеи и дефектоскопию рельсов. Комплексная автоматизированная диагностика верхнего строения пути производится современными средствами диагностики к которым относятся: вагоны-путеизмерители, вагоны-дефектоскопы, диагностические комплексы («Интеграл», «Эра»). Они дают информацию о состоянии пути с занесением данных в общие базы для дальнейшего сопоставления с полученной за предыдущие периоды информацией. Необходимо отметить, что на серийных путеизмерительных комплексах отсутствуют технические средства, позволяющие проводить диагностику балластной призмы и земляного полотна в высокоскоростном режиме.

Радиотехнический метод диагностики в сочетании с другими техническими средствами может обеспечить получение непрерывной и достоверной информации о состоянии железнодорожного пути.

Достоинствами радиотехнического метода являются: ~ возможность получения непрерывной информации о состоянии балластного слоя и земляного полотна (границы раздела сред, неоднородности в среде, переувлажнение грунтов) в условиях большого количества помех, создаваемых инфраструктурой железной дороги; ~ возможность проведения диагностики при больших скоростях движения с отрывом антенн от поверхности исследуемой среды (бесконтактная диагностика); повышение качества съемки за счёт использования каналов на различных частотных диапазонах.

Таким образом, для решения задач мониторинга балластной призмы и земляного полотна железных дорог существует настоятельная необходимость осуществления разработки и внедрения высокопроизводительного специализированного радиотехнического комплекса. Несмотря на существенные достижения в развитии подобных зондирующих приборов, используемых в геофизике, строительстве и других областях, существует целый ряд не исследованных и не решенных специфичных вопросов, связанных с особо сложными условиями работы оборудования и сложностью решаемых задач для мониторинга ЖД путей. В связи с этим исследуемые в работе научные задачи являются актуальными.

Целью диссертационной работы является разработка научных основ и технических решений, обеспечивающих возможность мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей радиотехническими методами.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать применимость метода радиотехнического мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей;

2. Исследовать спектральные характеристики типовых видов импульсов возбуждения передающей антенны и выбрать приемлемый способ возбуждения;

3. Провести анализ и выбор радиотехнических методов формирования зондирующих сигналов для комплекса;

4. Исследовать пути создания импульсных антенн радиотехнического комплекса и проанализировать характеристики наиболее известных импульсных антенн с целью определения их пригодности для использования в комплексе, разработать импульсную антенну с повышенным уровнем подавления сигналов в задней полусфере и разработать методику измерения её направленных свойств;

5. Предложить алгоритмы обработки сигналов с целью максимального повышения наглядности, а также с целью автоматизации интерпретации результатов мониторинга железнодорожного пути.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы статистической радиотехники, спектрального анализа, математического моделирования и анализа электродинамических задач, методы объектно-ориентированного программирования, натурное моделирование и эксперимент.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Определён оптимальный вид импульса возбуждения передающей антенны радиотехнического комплекса с учётом проведенных исследований спектральных характеристик различных видов импульсов возбуждения.

2. Исследованы пути создания импульсных антенн радиотехнического комплекса. Разработана импульсная антенна с повышенным уровнем подавления сигналов в задней полусфере. Разработана методика измерения направленных свойств импульсной антенны.

3. Предложен новый алгоритм обработки результатов зондирования, компенсирующий последствия влияния переотражений между дном вагона, антенной и средой.

4. Разработаны новые алгоритмы, позволяющие автоматизировать процесс обработки сигналов и интерпретацию результатов зондирования.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований обуславливают основные технические решения, связанные с разработкой радиотехнического комплекса для мониторинга состояния балластной призмы и земляного полотна, что необходимо для производства и контроля ремонтов, прогнозирования стабильности земляного полотна железных дорог, проведения диагностики железнодорожного пути на скоростях движения вплоть до 120 км/ч. По исследуемой теме получены два патента.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы и внедрены при разработке радиотехнического комплекса и его модификаций для мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей, который в 2009 году после проведения опытной эксплуатации включён в состав серийно выпускаемых диагностических вагонов-лабораторий «Интеграл» и «Эра» .

2. Разработана модификация комплекса для использования на диагностических железнодорожных тележках и на мобильной лаборатории «ЛДМ-1».

3. Разработанная импульсная антенна и алгоритмы, автоматизирующие процесс обработки и интерпретации результатов зондирования внедрены в серийно выпускаемые георадары «ОКО-2», предназначенные для оснащения автомобильных дорожных лабораторий.

Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований, апробацией предложенных решений на примерах, совпадением результатов теоретического анализа, численного математического моделирования на тестовых объектах и натурного эксперимента, а также результатами приёмосдаточных испытаний радиотехнического комплекса.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на конференциях: «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», г. Муром, 2006г.; «Георадар-2004», г. Москва, 2004г.; «Сверхширокополосные сигналы и системы» UWBSIS -2004, Украина, г.Севастополь, 2004г.; «Инженерная геофизика», г. Геленджик, 2005г.;

Инженерная геофизика», г. Геленджик,2006г.; «Инженерная геофизика», г. Геленджик, 2007г.; «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» г. Москва 2007г.; XXVI Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред», г. Санкт-Петербург,2009г.; «Инженерная и рудная геофизика» 2008г., г. Геленджик; «Инженерная и рудная геофизика»-2009г., г. Геленджик.

Публикации. По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликована 21 печатная работа, из них 11 научных статей, 10 тезисов докладов, получено два патента.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Для возбуждения передающих антенн целесообразно использовать «метод ударного возбуждения антенны» импульсом с формой моноцикла. При этом достигается наибольшая степень согласования спектра импульса с частотной характеристикой передающей антенны.

2) Для устранения переотражений необходимо исключить фидерный тракт в приёмной и передающей частях радиотехнического комплекса, располагая формирователь импульсов непосредственно на выходе передающей антенны, а усилитель - непосредственно на входе приёмной антенны. Для уменьшения отражений импульсных сигналов от концов раскрыва приемной и передающей антенны необходимо демпфирование антенн с помощью объемного радиопоглощающего материала и концевых резисторов.

3) При построении формирователей импульсов радиотехнического комплекса целесообразно использовать схемотехнические решения на базе лавинных транзисторов .

4) Для минимизации экранирующего влияния шпал вектор электрического поля приемных и передающих антенн должен быть перпендикулярен шпалам. и

5) Алгоритм обработки сигналов "подавление переотражений" позволяет ослабить на 6. 10 дБ величину помех, вызванных переотражениями зондирующих импульсов между дном вагона, антенной и средой.

6) Для автоматизации процесса выделения на радарограммах участков с повышенным содержанием влаги и построения границ раздела сред целесообразно использовать алгоритмы, основанные на анализе относительного изменения энергии отраженных сигналов в процессе перемещения вдоль исследуемого пути.

Структура диссертационной работы.

В главе 1 диссертационной работы подчёркнута роль железнодорожного транспорта, приведен обзор технологий для дистанционного радиотехнического мониторинга железнодорожных насыпей, показана актуальность разработки дистанционных высокопроизводительных методов диагностирования состояния балластной призмы и земляного полотна железнодорожного пути, определены технические требования к радиотехническому комплексу с учётом особых условий работы в составе путеизмерительных вагонов.

В главе 2 обобщены результаты исследований электрических свойств различных строительных материалов, используемых в строительстве железнодорожных путей, определён наиболее оптимальный вид импульса возбуждения передающей антенны радиотехнического комплекса, разработана схема формирователя импульсов возбуждения на лавинных транзисторах.

В главе 3 исследованы пути создания импульсных антенн, проанализированы характеристики наиболее известных импульсных антенн с целью возможного их использования для радиотехнического комплекса, разработана новая импульсная антенна с повышенным уровнем подавления сигналов в задней полусфере, разработана методика измерения ДН импульсной антенны.

В главе 4 предложен эффективный комплекс методов обработки с целью максимального повышения наглядности результатов радиотехнического обследования, предложен новый алгоритм обработки записанных радарограмм, обеспечивающий программную компенсацию последствий переотражений между дном вагона, антенной и средой, разработаны алгоритмы, которые позволили на радарограммах автоматизировать процесс выделения участков с повышенным содержанием влаги и построение границ раздела сред.

В главе 5 приведена информация об итогах разработки и внедрения многоканального высокоскоростного комплекса для радиотехнического мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей, разработанного на основе научных и практических результатов диссертационной работы.

Выводы по главе 4.

1. Сформулированы цели обработки результатов радиотехнического зондирования железнодорожных путей .

2. Показано, что для более наглядной визуализации полученных данных радиотехнического обследования эффективно применение яркостного метода отображения радарограммы .

3. Предложены и исследованы различные обработки сигналов с целью максимального повышения информативности радарограмм. Подробно рассмотрены наиболее эффективные алгоритмы, которые целесообразно использовать в качестве этапа предварительной обработки сигналов радиотехнического комплекса.

4. Для программной компенсации последствий переотражений между дном вагона, антенной и средой был разработан и внедрён новый алгоритм обработки записанных радарограммм. Предложенный алгоритм "подавление переотражений" в последующем подтвердил свою эффективность при обработке радарограмм с различных обследованных участков железнодорожных путей .

5. Разработаны алгоритмы с использованием преобразования Гильберта, основанные на анализе характера относительного изменения энергии отраженных сигналов, которые позволили автоматизировать процесс интерпретации радарограмм.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА.

Научные и практические результаты диссертационной работы были использованы и внедрены при разработке многоканального радиотехнического комплекса и его последующих модификаций для мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей. Полная функциональная схема этого комплекса приведена на рис.5.1.

Лаборатория путеизмерительного вагона

БП

Ш

Рис.5.1. Функциональная схема радиотехнического комплекса.

Для увеличения скорости перемещения комплекса во время сканирования железнодорожного полотна, частота импульсов запуска передатчика (ИЗП) составляет 400 кГц, при этом за один такт опрашиваются все приемные каналы. Обмен между блоком управления и ноутбуком производится по интерфейсу Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Для ускорения отрисовки трассы выводятся на экран компьютера с прореживанием, а сохраняются полученные данные в непрерывном режиме, что особенно актуально для длинных профилей (сотни километров). Достигнутое быстродействие аппаратной части комплекса позволяет регистрировать до 300 трасс в секунду по каждому из трех каналов. Это обеспечивает при скорости движения до 120км/ч запись не менее 8-10 трасс на 1 погонный метр пути.

Многоканальный радиотехнический комплекс можно использовать автономно на любой подвижной единице. Однако, наиболее перспективными оказались варианты с расположением антенных блоков комплекса под днищем путеизмерительных вагонов-лабораторий (рис.5.2).

Рис.5.2. Вариант крепления антенных блоков.

Прежде всего, это удовлетворяет общему требованию установки подвесного оборудования на вагонах - не создает помех для автосцепки. Крепление обеспечивает расположение антенных блоков по центру, слева и справа относительно шпал. Такой вариант подвески антенных блоков был отработан в результате совместных испытаний на вагоне-лаборатории СПМ-18.

Радиотехнический комплекс с 2009 года после проведения успешной опытной эксплуатации был включён в состав серийно выпускаемых диагностических вагонов-лабораторий «Интеграл» (г. Москва) и «Эра» (г. Самара) (рис.5.3), которые дают комплексную информацию о состоянии пути в плане и профиле а также информацию о состоянии всех объектов инфраструктуры с занесением в общие базы данных, для дальнейшего сопоставления с полученной информацией за предыдущие периоды. Эти диагностические вагоны-лаборатории позволяют проверять ширину колеи, положение рельсовых нитей по уровню, положению пути в плане, выявлять просадки, а также уточнять уклоны продольного профиля пути, кривизну его в плане, определять боковой износ рельсов, короткие неровности на поверхности катания рельсов. Внедрение радиотехнического мониторинга в состав вагонов-лабораторий позволило проводить в скоростном режиме и диагностику балластной призмы и земляного полотна, что является значимым фактором, так как выявляемые при этом дефекты являются, как правило, причиной развития дефектов рельсового пути.

Рис.5.3. Размещение антенных блоков радиотехнического комплекса на вагонах-лабораториях «Интеграл» (а) и «Эра» (б).

ЗАО «Фирма ТВЕМА» разработало с использованием трёхканального радиотехнического комплекса (с модифицированными антенными блоками) мобильную лабораторию диагностики, паспортизации и мониторинга состояния рельсового пути с универсальным комбинированным ходом -«ЛДМ-1» (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Мобильная лаборатория диагностики «ЛДМ-1». Лаборатория «ЛДМ-1» размещена на базе серийного двухосного автомобиля повышенной проходимости УАЗ-Э1622 «Патриот» переоборудованного на комбинированный ход с использованием направляющих устройств, обеспечивающих удержание автомобиля в рельсовой колее, в том числе при прохождении стыков, стрелок и крестовин без снижения скорости. Скорость движения лабораторий - до 60 км/ч.

ООО «Логис» разработало специализированную ручную тележку (рис. 5.5) для осуществления радиотехнического мониторинга коротких участков железнодорожных путей в пешеходном режиме.

Рис.5.5. Радиотехнический комплекс на ручной железнодорожной тележке.

За последние два года по данным информации (табл.5.1), предоставленной отделом КИДС Центра ИССО ОАО "РЖД", диагностическими вагонами-лабораториями ДК "Эра", КВЛ-П ПС-007 ("ИНФОТРАНС") и ДК "Интеграл" ("Твема"), оснащёнными радиотехническими комплексами, был осуществлён большой объём комплексных диагностических обследований железнодорожных путей на различных участках пяти железных дорог.

Табл.5.1 Сведения о радиотехническом мониторинге железнодорожного пути.

Дорога Направление путь проверено расшифр.

Москва - Курск 1 538 35

2 538 36

Москва - Петушки 1 123 6

2 123 6

Московская Москва - Рязань - 1 314 5

Ряжск 2 314 5

Москва - Рязань - 1 182 9

Сасово 2 182 8

Москва - Смоленск 1 420 33

2 420 30

С.-Петербург - 1 154 19

Октябрьская Бусловская 2 129 15

С.-Петербург - 1 650 29

Москва 2 650 52

Юго- Ряжск - Чертково 1 581 11

Восточная 2 582 37

Северо- Чертково - Ростов - 1 755 7

Кавказская Краснодар - Туапсе 2 612 11

Инза - Вырыпаевка 1 11 11

Куйбышевская Симская - Кропачево 2 21 21

Сура - Чаис 1 7 7

Итого 7306 393

Радиотехнический мониторинг железнодорожного пути с помощью разработанного радиотехнического комплекса решает ряд важных задач:

• уточнение конструкции балластной призмы ж/д полотна с выделением границ слоев и определением толщины каждого слоя;

• выделение участков с повышенной влажностью;

• выявление участков с балластным корытом.

Разработанные в рамках работы алгоритмы обработки регистрируемых радарограмм были реализованы в специализированной программе «Анализ», предназначенной для автоматической обработки и интерпретации радарограмм. Эта программа позволяет проводить предполагаемые границы слоёв и находить места с аномальным изменением амплитуды сигнала. В качестве примера на рис.5.6 приведены проинтерпретированные радарограммы километрового участка (285 км, Москва-Курск), зарегистрированного трёхканальным радиотехническим комплексом, размещённым на нагоне-лаборатории. л

1- щебень, 2- песок, 3- земляное полотно

Рис. 5.6. Трёхканальная радарограмма участка пути.

На радарограмме чётко выделяются границы между конструктивными слоями. При этом можно констатировать, что толщина песчаного слоя недопустимо значительно изменяется на протяжении всего километрового участка, а на дистанции (4) песчаный слой практически отсутствует.

Диагностические вагоны-лаборатории наряду с радиотехническим мониторингом регистрируют одновременно большое количество различных параметров, характеризирующих состояние рельсового пути. В связи с этим результаты комплексного мониторинга отображаются на комбинированных обзорках (рис.5.7) и технологических картах (рис.5.8).

Рис. 5.7. Комбинированная обзорка железнодорожного пути. г* тис пп vy ■■ 1 го 'с1 v." I ■ ' 'JO-. лимит пшлс t^*;, л I ! :i IL лкв :•! '"J ■ ■ ч ■f, '. - „ ц

•■УJV—y-^—Л■ -v-""yv л ■ " —Л *-vvy- \ vV ■ ~ -y •■■v—Д- ',v-Y-' ^ ' " ■»■ m

VM ■ г -дЧ^л -Лfl - ■ ; a —V1 Л -JV4A'V—■," "V * V*'

- V^"*,.', \ ^^ ' ' v't ■ 'I

ССКОЛ.ма

CKO №. ни

Рис. 5.8. Комбинированная технологическая карта пути.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке научных основ и технических решений, обеспечивающих возможность мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей радиотехническими методами. В работе отмечено, что безопасность функционирования железнодорожного транспорта России в значительной мере определяется техническим состоянием рельсового пути и мерами по поддержанию его качества. Оказалось, что на серийных путеизмерительных комплексах отсутствуют технические средства, позволяющие проводить диагностику балластной призмы и земляного полотна в высокоскоростном режиме. В связи с этим необходимы новые технологии и системы контроля качества пути.

Были выявлены достоинства радиотехнического метода диагностики, показана актуальность разработки высокопроизводительных методов диагностирования состояния балластной призмы и земляного полотна железнодорожного пути. С помощью радиотехнического метода возможна оценка изменения свойств материалов основания пути и оценка степени загрязнения балластного слоя. Сделаны выводы, что применение этого метода диагностики в сочетании с другими геофизическими методами может обеспечить получение непрерывной и достоверной информации о состоянии объектов земляного полотна, повысить качество проектных решений, снизить затраты ресурсов при текущем содержании и ремонтах железнодорожного пути.

Приведен обзор зарубежных и отечественных технологий радиолокационного мониторинга железнодорожных насыпей, выявлены системные недостатки существующих технических решений. Определены технические требования к радиотехническому комплексу с учётом особых условий работы в составе путеизмерительных вагонов.

Рассмотрены основные особенности сверхширокополосных сигналов, обобщены основные отличия процессов, происходящих при излучении узкополосных и сверхширокополосных сигналов. На основе проведенного анализа опубликованных разрозненных данных составлена сводная таблица электрических характеристик в рабочем диапазоне частот радиотехнического комплекса различных пород, используемых при строительстве железнодорожного пути.

В работе исследованы особенности КПД импульсных антенн, важность которого наглядно показана на примере использования рупорной антенны при её возбуждении сигналами в виде перепада напряжения и моноцикла. Предложен инженерный метод оценки КПД импульсных антенн. В соответствии с ним импульсная антенна рассматривается как преобразователь энергии сверхкороткого электрического импульса, возбуждающего антенну, в энергию сверхкороткого электромагнитного импульса (в режиме передачи) и обратного преобразования в режиме приема.

В результате рассмотрения спектральных характеристик и особенностей различных видов импульсов возбуждения передающих антенн комплекса было показано, что для обеспечения максимального КПД импульсной антенны наиболее целесообразно использовать для возбуждения антенн импульс с формой моноцикла.

Исследования показали, что рассогласования в высокочастотном тракте приводят к появлению паразитных переотраженных сигналов, которые искажают результаты радиолокационного зондирования. В связи с этим целесообразно формирователь импульсов располагать непосредственно на входе передающей антенны, а входной усилитель приёмного устройства непосредственно подключать к выходу приёмной антенны. Для уменьшения отражений импульсных электрических сигналов от концов раскрыва приемной и передающих антенн были исследованы варианты демпфирования антенн с помощью объемного радиопоглощающего материала и концевых резисторов.

Проведенный анализ показал, что состояние доступной элементной базы не позволяет обеспечить режим прямой оцифровки отражённых сигналов радиотехнического комплекса. По этой причине предложено использовать стробоскопический режим работы приёмника. Для использования в комплексе было разработано стробоскопическое устройство, обеспечивающее преобразование сигналов в аналоговой полосе частот до 1.5 ГГц при частоте повторения до 1МГц. С учётом всех рассмотренных условий сформулированы основные требования к параметрам формирователя импульсов, возбуждающего передающую антенну.

Был проведен анализ возможных схемных решений формирователей импульсов для радиотехнического комплекса с использованием различных активных элементов. Исследована возможность использования полупроводниковых приборов - дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и диодных обострителей на основе задержанной ионизации (ДО). Были выявлены существенные недостатки, которые снижают возможность использования этих элементов в формирователях импульсов для комплекса. В результате проведения многочисленных экспериментов было установлено, что приемлемые параметры импульсов обеспечиваются формирователем с использованием лавинного пробоя транзисторов КТ315. -Для увеличения амплитуды импульсов было предложено каскадирование трёх транзисторов.

Были сформулированы общие требования, предъявляемые к антеннам радиотехнического комплекса. В подвагонном пространстве рядом с антеннами комплекса располагается множество металлических элементов, которые являются источниками пассивных помех. Борьба с этими помехами предполагает использование дополнительных мер по повышению экранировки используемых антенн.

Проведенные эксперименты на реальных участках железной дороги позволили сделать вывод, что для минимизации экранирующего влияния шпал вектор электрического поля приемных и передающих антенн должен быть перпендикулярен шпалам.

Рассмотрены общие особенности проектирования сверширокополосных и импульсных антенн. Сформулированы качественные различия в общих свойствах антенн различных классов — узкополосные, сверхширокополосные и импульсные. Показано, что импульсные антенны можно рассматривать в качестве универсальных антенн. В работе затронуты важные аспекты проектирования сверхширокополосных и импульсных антенн и приводятся общие рекомендации, направленные на повышение их эффективности.

Рассмотрены различные известные виды сверхширокополосных и импульсных антенн. Проанализирована возможность использования сверхширокополосных антенн в качестве импульсных, а также возможность использования в радиотехническом комплексе наиболее известных типов импульсных антенн. Показано, что ни один из видов рассмотренных антенн по своим характеристикам не удовлетворяет в полной мере требованиям, необходимым для работы в составе радиотехнического железнодорожного комплекса. В связи с этим возникла необходимость разработки специализированной антенны, удовлетворяющей повышенным требованиям по экранировке для размещения в подвагонном пространстве вагона-лаборатории. Особое внимание было уделено на проблему, связанную с возникновением переотраженных сигналов между раскрывом антенны и поверхностью исследуемой среды. Определено, что использование разнесённого варианта передающей и приемной антенн снижает на 30.40 дБ необходимую величину динамического диапазона приёмного устройства.

Для радиотехнического комплекса была разработана импульсная антенна с повышенным уровнем подавления сигналов в задней полусфере. В конструкцию антенны со стороны излучающей части антенного блока АБ-400М был добавлен расширяющийся раструб-рупор. Была разработана методика оценки направленных свойств импульсной антенны с использованием базовых компонентов серийного георадара «ОКО-2». Эксперименты показали, что разработанный рупорный антенный блок АБ

400Р даёт по сравнению с АБ-400 дополнительное (на 15. 18 дБ) подавление сигналов из задней полусферы.

В работе в соответствии с сформулированными задачами были разработаны и исследованы алгоритмы обработки сигналов радиотехнического комплекса. Первый этап обработки сигналов предусматривает комплекс мер с целью максимального повышения наглядности радарограмм для дальнейшей их интерпретации. Проведенные опытно-методические исследования позволили определить наиболее эффективные алгоритмы обработки, которые целесообразно использовать на предварительном этапе обработки данных радиотехнического комплекса. Второй этап обработки (автоматическая интерпретация радарограмм) является наиболее важной и сложной частью общего алгоритма обработки сигналов, с помощью которого осуществляется выделение границ слоёв и выделение участков с дефектами в автоматическом режиме. Эта задача подразумевает работу с двухмерными массивами информации — радарограммами и её можно по ряду признаков отнести к классу задач по распознаванию образов. Успешное решение этой задачи является существенным преимуществом разрабатываемого комплекса.

Для используемых антенн (моноблочная конструкция) характерным является большой уровень прямого просачивания сигнала с передающей антенны на приёмную, который также, как и отражения от близко расположенных конструктивных элементов вагона, маскирует анализируемые отраженные сигналы. Эффективным методом их устранения оказался метод "вычитание среднего".

Для устранения модуляции амплитуды отражённых сигналов от исследуемых слоёв, вызванной взаимным перемещением шпал и комплекса, что приводило к снижению наглядности радарограмм, был предложен алгоритм обработки «горизонтальная фильтрация».

Для программной компенсации последствий переотражений зондирующих сигналов между дном вагона, антенной и средой был разработан и внедрён новый алгоритм обработки записанных радарограмм -«подавление переотражений».

Проведенные в рамках работы исследования по разработке новых алгоритмов обработки автоматизирующих процесс интерпретации радарограмм, показали, что наибольшую эффективность и стабильность результатов обеспечивают алгоритмы, основанные на анализе характера относительного изменения энергии отраженных сигналов вдоль радарограмм. На основе научных и практических результатов диссертационной работы был разработан и внедрён многоканальный высокоскоростной комплекс для радиотехнического мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей. Алгоритмы обработки применены в специализированной программе «Анализ», созданной для автоматической интерпретации радарограмм радиотехнического комплекса. Радиотехнический комплекс с 2009 года после проведения успешной опытной эксплуатации был включён в состав серийно выпускаемых диагностических вагонов-лабораторий «Интеграл» и «Эра». Внедрение радиотехнического мониторинга на диагностических вагонах-лабораториях позволило проводить в скоростном режиме диагностику балластной призмы и земляного полотна, что является значимым фактором, так как выявляемые при этом дефекты являются, как правило, причиной развития дефектов рельсового пути. ЗАО «Фирма ТВЕМА» разработало с использованием трёхканального радиотехнического комплекса (с модифицированными антенными блоками) мобильную лабораторию диагностики, паспортизации и мониторинга состояния рельсового пути с универсальным комбинированным ходом - «ЛДМ-1»

За последние два года диагностическими вагонами-лабораториями, оснащёнными радиотехническими комплексами, был осуществлён большой объём комплексных диагностических обследований железнодорожных путей.

1. Серебрянников И. В. Анализ состояния и основные проблемы содержания и усиления инженерных сооружений на сети дорог // Тез. докл. второй науч.-техн. конф., М.: МИИТ. 2005. С. 10.

2. Колос А.Ф. К вопросу о необходимости прогнозирования несущей способности земляного полотна // Тез. докл. второй науч.-техн. конф., М.: МИИТ. 2005. С. 58-59.

3. Шахунянц Г. М. Железнодорожный путь: Учеб. для вузов. М.: Транспорт,1987. 479 с.

4. Ашпиз Е.С Разработка системы мониторинга земляного полотна железных дорог// Тез. докл. второй науч.-техн. конф., М.: МИИТ. 2005.С. 17.

5. Ашпиз Е.С, Малинский С.В. Оценка стабильности земляного полотна на основаниях из многолетнемерзлых грунтов по информации лент вагона-путеизмерителя // Межвуз. сб. науч. тр. М.: МИИТ. 1992. Вып. 844.С. 6470.

6. Ашпиз Е.С. Мониторинг земляного полотна при эксплуатации железных дорог. // М.: Путь-пресс, 2002. 112 с.

7. Акимова О.В. К вопросу оценки физико-механических свойств грунтов в градиентных средах геофизическими методами // Тез. докл. 4-й меж.-нар. науч.-практич. конф. «Георадар-2004». -М.: МГУ, 2004.С.21-23.

8. Борков B.C., Коншина Ю.П. Поиски и разведка месторождений строительных материалов геофизическими методами. М.: "Недра", 1970. 151 с.

9. Геотехника в транспортном строительстве: Межвуз. сб. науч. тр./ДИИТ. Днепропетровск, 1988. 93 с.

10. ГОСТ 20911-75. Техническая диагностика, основные термины и определения/М., Издательство стандартов, 1978. 14 с.

11. Грицык В.И. Устройство для разбивки и съемки земляного полотна./ А.с. N 1770749 (СССР). Бюл. ГКИ. 1992, N 39.

12. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. М.: Высш. шк., 1982. 511 с.

13. Методические указания по определению свойств грунтов эксплуатируемого земляного полотна / ВНИИЖТ. М., 1970. 60 с.

14. Колесников В.И., Явна В.А. , Помозов В.В., Дудник А.В. Использование подвижного состава для георадиолокационной диагностики железнодорожного пути. // Тез. докл. межд. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика 2007». Геленджик, 2007.С.147-149.

15. Помозов В.В. Многоканальный георадарный комплекс для обследования железнодорожных насыпей // Тез. докл. четвёртой межд. науч.-практ. конф. «Инженерная и рудная геофизика». Геленджик, 2008. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

16. Помозов В.В., Семейкин Н.П. Развитие многоканального георадарного комплекса для скоростного мониторинга железнодорожного полотна //

17. Тез. докл. четвёртой межд. науч.-практ. конф. «Инженерная и рудная геофизика». Геленджик, 2008. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

18. Эскизный проект "Создание портативного радиотехнического прибора дистанционного зондирования сыпучих, навалочных и гомогенных грузов" / Пояснительная записка , Шифр: "Зонд-М", ООО "Логис", 2001г.

19. Подповерхностная радиолокация под редакцией М.И. Финкелыятейна. М.: «Радио и связь», 1994. 216 с.

20. Финкельштейн М.И., Мельдельсон В.Л., Кутев В.А. Радиолокация слоистых земных покровов. М.: «Сов. Радио», 1977. 176 с.

21. Финкельштейн М.И., Золоторёв В.П., Кутев В.А. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии.- М.: Недра, 1986. 128 с.

22. D.J. Daniels. Surface-Penetration Radar. London: The Institution of Electrical Engineers, 1996.

23. Roger R., Imad A. Advanced in Railroad Ballast Evaluation Using 2 GHz Horn Antennas. // 11th International conference on GPR, June 19-20, 2006, Columbus,USA.

24. Ковдус B.B. Долгий А.И. Явна В.А. Программно-аппаратное профилирование балластной призмы и основной площадки земляного полотна. //Тез. докл. второй межд. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика». Геленджик, 17-22 апреля 2006г. С.72-73.

25. Roger R., Imad A. Advanced in Railroad Ballast Evaluation Using 2 GHz Horn Antennas. // 11th International conference on Ground Radar, June 19-20, 2006, Columbus.USA.

26. Технические указания по инструментальной диагностике земляного полотна. / Департамент пути и сооружений МПС России. М.: ИПП Куна,2000. 61 с.

27. Капустин В.В., Владов М.Л. Опыт применения площадной георадарной сьемки для обнаружения и изучения локальных и линейно-протяженных объектов.// Тез. докл. второй межд. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика». Геленджик, 17-22 апреля 2006г. С.75-77.

28. Кириленко A.M., Знайченко П.А., Бауков А.Ю. Опыт применения георадиолокационного метода для исследований строительных конструкций зданий и сооружений // Тез. докл. 4-й межд. науч.-практ. конф. «Георадар-2004». М.: МГУ, 2004.С. 11-12.

29. Клепикова С.М., Монахов В.В., Еременко А.В., Зверев Е.О. Перспективные направления в развитии георадиолокационных исследований. // Тез. . докл. межд. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика 2006». Геленджик, 2006. С. 77-78.

30. Авдеев В.Б. Характеристики излучения и приема сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов. // Сб. Антенны, 2002. № 7,С. 5-27.

31. Чернышов С.Л. К вопросу об определении сверхширокополосного сигнала. // Тез. докл. 2-й Всероссийской НТК "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике", Муром. 2006. С. 417-419.

32. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных измерений.М.: Радио и связь, 1989. 238 с.

33. Иммореев И.Я. Сверхширокополосная радиолокация настоящее и будущее. // Тез. докл. второй всероссийской научн. конфер. Муром. 2006. С.5-37.

34. Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Модели сверхширокополосных сигналов. // М.: Радиотехника, № 6. 2005. С.43-49.

35. Имореев И.Я., Синявин А.Н. Излучение сверхширокополосных сигналов // Антенны ,выпуск 1 (47). 2000. С.8-16.

36. Ultra-wideband Radar Technology / Edited by James D. Taylor, P.E.,CRC Press ,London,Washington, 2000 .

37. Изюмов C.B., Дручинин C.B. Теория и методы георадиолокации./ Учеб. Пособие, М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2008. 196 с.

38. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию./ Уч. пособие М.: Изд. МГУ, 2005.153с.

39. Лещанский Ю.И., Лебедева Г.Н. Исследование поглощения дециметровых и сантиметровых радиоволн в грунте // Изв. вузов. Сер. Радиофизика, 1968. Т. 11 .№2.С.205-208.

40. Лещанский Ю.И., Лебедева Г.Н., Ульянычев Н.В. Электрические параметры кирпича, цемента и древесины в диапазоне метровых-сантиметровых радиоволн // Изв. вузов. Сер. Радиофизика, 1982.Деп. ВИНИТИ № 4772-82.

41. Лещанский Ю.И., Лебедева Г.Н., Шумилин В.Д. Электрические параметры песчаного и глинистого грунтов в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн // Изв. вузов СССР. Сер. Радиофизика. 1971. Т. 14. № 4. С. 562-569.

42. Чубинский Н.П., Филоненко В.А. Измерения электрических параметров чернозёмного грунта при различных влажностях в диапазоне 250-3500 МГц. / Отчет МФТИ. 2005.

43. Титов А.Н., Помозов В.В. Электрические свойства горных пород на высоких радиочастотах/ Отчёт ООО "ЛОГИС". 2004. 19 с.

44. Cook J. С. Proposed monocycle-pulse VHF radar for airborne ice and snow measurement. // Trans. Amer. IEE, pt. 1. / Commun. and Electronics. 1960. -Vol. 79, №51. -P. 588-594.

45. Иммореев И.Я., Телятников Л.И. Эффективность использования энергии зондирующих импульсов в сверхширокополосной локации // Радиотехника, №9.1997. С. 33-37.

46. Астанин Л.Ю., Костылёва В.В. Обобщённые характеристики антенн геолокаторов при импульсном возбуждении // Вопросы подповерхностной радиолокации. Под ред. Гринёва А.Ю.-М.: Радиотехника, 2005. С.316-343.

47. Протокол измерений характеристик радиопоглощающего материала МОХ 1-20 / Отчёт ООО НПП "Радиострим", 2009. 6 с.

48. Рябинин Ю.А. Стробоскопическое осциллографирование // М.: «Советское радио», 1972. 272 с.

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

50. Кольцов Ю.В. Преобразование сверхкоротких сигналов в реальном времени. // Информационно-измерительные и управляющие системы (НИИ информатики), Т.7.№9. 2009. С.20-31.

51. Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии».- М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008.384 с.

52. Ладыгин Е.А., Горюнов Н.Н., Галеев А.П., Паничкин А.В. Основы радиационной технологии микроэлектроники. / Курс лекций: В 3 ч. — М.: МИСиС, 1994-1996.

53. Создание портативного радиотехнического прибора дистанционного зондирования сыпучих, навалочных и гомогенных грузов / Отчёт по эскизному проекту ОКР "Зонд-М" , ООО "ЛОГИС",2003г.

54. Исследование технических путей создания широкозахватного мобильного многоканального комбинированного миноискателя./ Отчёт по НИР "Лимонник", ООО "ЛОГИС" , 2009г.

55. Туркевич В.М., Грехов В.И. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л.: Наука, 1988.

56. Белкин B.C., Шульженко Г.И. Формирователи высоковольтных наносекундных импульсов с низковольтным питанием // Приборы и техника эксперимента ,1994 .№4 . С.68-72.

57. Дьяконов В. П., Приборы и техника эксперимента. 1968 , № 5 , С. 101.

58. Дьяконов В. П., Приборы и техника эксперимента. 1970 , № 4 , С. 126.

59. Mitchell W. В., Electronic Design , 1968 , 6 ,March 14 , p. 202.

60. Портативный георадарный комплекс для решения специальных задач./ Отчёт по эскизному проекту ОКР "Даль-3", ООО "ЛОГИС", 2006г.

61. Устройство для определения взаимного расположения инженерно -строительных конструкций (коммуникаций) в условиях одностороннего доступа к ним./ Отчёт по НИР "Калина 2-ЛС", ООО "ЛОГИС",2009г.

62. Дьяконов В. П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах, под ред. С. Я. Шаца , г. Москва «Сов. Радио», 1973г.64. WWW.diodes.com

63. Костиков.Г.А. Сугак М.И.Сравнение направленных свойств импульсных линейных антенн.// Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета). Сер. Радиоэлектроника и телекоммуникации. 2004 . Вып .1.С.7-10.

64. Марчук В.Н., Секистов В.Н., Смирнов В.Н. Моделирование работы георадара численными методами./ Вопросы подповерхностной радиолокации коллективная монография под ред. А.Р. Гринева М.: Радиотехника, 2005. 416с.

65. King R.W.P. Antennas in material media near boundaries with application to communication and geophysical exploration.: I. 'The bare metal dipole'. II. 'The terminated insulated antenna', IEEE Trans., 1986, AP-34, pp. 483-496.

66. Felsen. L.B. (Ed): 'Transient electromagnetic fields', in 'Topics in applied physics' (Springer Verlag, 1976), Vol.10.

67. Brewitt Taylor, C.R., Gunton, D.J., and Rees, H.D.: 'Planar antennas on a dielectric surface', Electron Lett., 1981, 17, pp.729-731.

68. Бененсон JI.C. сверхширокополосные антенны. /Пер. с англ. Под ред., М.: Мир, 1964.416с.

69. Титов А. Н. Некоторые вопросы проектирования импульсных антенн. // Тез. докл. 18 науч.-технич. конф. НИИП. Жуковский, 2005г.С.17.

70. Titov A.N. Radio Phisics and Radio Astronomy. 2002, v.7, N4, pp.479-482.

71. Титов A.H. Георадары: некоторые особенности проектирования./ Труды конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» СРСА-2003, 1-4 июля 2003г., г.Муром.

72. Chu L.I., Joum. of Appl. Phys. v. 19, N12, 1948.

73. Harrington R.F., Joum. Res. Nat. Bur. St., vol.64D, N1, 1960.

74. Fano R., Electromagnetic Energy Transmission and Radiation, N-J, 1960.

75. Хансен Р.Ч., ТИИЭР, т.69, №2, стр.35, февр. 1981.

76. Омаров Г.С., Харамуш А.Х. Радиотехника, 2001. №11. С.31-34.

77. Hansen J.E. ed. Spherical Near-Field Antenna Measurement N-J. 1988.

78. Беннет С.Л., Росс Дж.Ф. ТИИЭР,1978. Т.66. №3. С.35.

79. Titov A.N., Titov A.A. Resistive Pulse and Ultrawideband Antennas. 2004 Second Int. Workshop Ultrawideband and Ultrashort Impulse. Signals Sevastopol., Sept. 19-22, 2004.

80. Wohlers, R.J. The GWIA, an elementary wide bandwidth low disperson antenna. IEE Trans., 1967, AP-15, pp.236-243.

81. Evans. S., and Kong, F.N.: 'ТЕМ horn antennas input reflection characteristics in transmission', IEE Proc. H. Microwaves, Antennas and Propag., 1983, 130, pp.403-409.

82. Theodorow. E.A., Gorman. M.R., Rigg, P.R., and Kong. F.N. Broadband pulse optimized antenna. IEE Proc. H. 1981, 128, pp.124-130.

83. Oswald. G.K.A. Geophisical radar design, IEE Proc. F, 1988, 135, pp.371-379.

84. Yarovoy A.G., Schukin A.D. The Dielectric Wedge Antenna. IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.50, N 10, October 2002, pp.1460-1471.

85. Chen C.C. A new ground penetrating radar antenna design — The horn fed bowtie (HFB),"In Proc. 20th Annu. Meeting Symp. Antenna Measurement Techniques Assoc., pp 67-74.

86. Патент № 2220483 РФ. Рупорная антенна./ Помозов В.В., Семейкин Н.П., Титов А.Н., Титов А.А. Заявлен 19.12.2001; Приоритет 19.12.2001.

87. Гринев А.Ю., Чебаков И.А. Реконструкция геометрических и электрофизических характеристик среды в структурных задачах подповерхностного зондирования. // Вопросы подповерхностной радиолокации / Под ред. А.Ю. Гринёва. М.: Радиотехника, 2005.

88. Имореев И.Я., Синявин А.Н. Излучение сверхширокополосных сигналов.// Антенны ,выпуск 1 (47), 2001. С.8-16.

89. Nishioka Y., Uno Т. Characteristics of Cavity-Isolated and Cavity-Connected Bow-Tie Antennas for subsurface pulse-radar. / IECE Trans. Vol J-83DN6, pp 910-917, 2000.

90. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд.2-е, перераб. и доп. / Под ред. Я.Д. Ширмана.-М.: Радиотехника, 2007.512 с.

91. Семейкин Н.П., Помозов В.В., Дудник А.В. Развитие георадаров серии «ОКО» // Вопросы подповерхностной радиолокации / Под ред. А.Ю. Гринёва. М.: Радиотехника, 2005. С. 231-236.

92. Помозов В.В., Семейкин Н.П. Развитие георадаров «Око». // Разведка и охрана недр, №2. 2002.96. «Радиотехнический прибор подповерхностного зондирования (георадар) ОКО-2 ». Техническое описание . 2009 г.

93. Рекламные материалы фирмы «КНАППЕ» (ФРГ).

94. Помозов В.В. Антенная система георадарного комплекса для мониторинга балластной призмы железнодорожного пути // Широкополосные и сверхширокополосные сигналы и системы. Сборник статей /Под. ред. А.Ю. Гринёва. М.: Радиотехника, 2009. С.162-166.

95. Титов А.Н., Помозов В.В., Дудник А.В. Георадарный комплекс для обследования железнодорожных путей // Тез. докл. XXVI всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». С-Пб.,2009. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

96. Помозов В.В. Пути увеличения глубинности георадаров «ОКО» // Тез. докл. четвёртой межд. науч.-техн. конф. «Современные проблемы проектирования, строительство и эксплуатация железнодорожного пути». М.:,2007. С.39.

97. Lizuka. К. The trawelling — wave V antenna and related antennas. IEEE Trans., 1967, AP-15, pp.236-243.

98. Transmission and Reception by Ultra-Wideband (UWB) Antennas. Debalina Ghosh, Arijit De, Mary C. Taylor, Tapan K. Sarkar, Michael C. Wicks, and Eric L. Mokole IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 48, No. 5, October 2006, pp. 67-99

99. Титов А.Н. Приемо-передающие свойства сверхширокополосных антенн./ Авторизованный перевод ,НИИП, г. Жуковский. 2008. 50 с.

100. Piette M., Vorst A.V. Development of dielectric-filled ТЕМ horn antennas for UWB GPR, in Proc. Millennium Conf. Antennas Propagat., Davos, Switzeland. Apr. 9-14,2000.

101. Финкельштейн М.И., Кутев B.A., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. М.:"Недра", 1986. 128 с.

102. Зайцев А.В. Метод расчёта сверхширокополосной рупорной антенны для априори сигнала.// Широкополосные и сверхширокополосные сигналы и системы. Сборник статей / Под. ред. А.Ю. Гринёва.-М.: Издательство «Радиотехника», 2009. С. 155-161.

103. Строителев В.Г. Методы обработки при подповерхностном радиолокационном зондировании.// Зарубежная радиоэлектроника 1/1991. С.95-105.

104. Андрианов А.В. Алгоритмы обработки информации подповерхностного зондирования и их реализация в программном пакете Geo-Data.// "Вопросы подповерхностной радиолокации" коллективная монография под ред. А.Р. Гринева М: Радиотехника. 2005. С. 82-96.

105. Программа управления георадаром «ОКО-2» и визуализации получаемых данных / ООО "ЛОГИС". Иллюстрированное руководство пользователя, версия 2.5.2009г.

106. Явна В. А., Помозов В.В, Дудник А.В. Георадиолокационная диагностика пути.// Путь и путевое хозяйство, 2007.№3. С. 19-21.

107. Владов М.Л., Старовойтов А.В., Калашников А.Ю. Некоторые вопросы интерпретации георадиолокационных данных при изучении железнодорожных насыпей. // Тез. докл. 4-й межд. науч.-практ. конф. «Георадар-2004». — М.: МГУ, 2004.С27-28.

108. Владов М.Л., Старовойтов А.В., Калашников А.Ю. Основные типы деформаций в железнодорожных насыпях по данным георадиолокационного профилирования. // Тез. докл. межд. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика 2006». Геленджик, 2006. С. 73-75.

109. Ковдус В.В. Долгий А.И. Явна В. А. Программно-аппаратное профилирование балластной призмы и основной площадки земляного полотна. // Тез. докл. второй межд. науч.-практ. конф. "Инженерная геофизика-2006". Геленджик, 17-22 апреля 2006г. С.72-73

110. Колесников В.И., Явна В.А. , Помозов В.В., Дудник А.В. Использование подвижного состава для георадиолокационной диагностики железнодорожного пути. // Тез. докл. межд. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика 2007». Геленджик, 2007.С.147-149.

111. Финк JI.M. Сигналы, помехи, ошибки. М.: Радио и связь, 1984.-256 с.

112. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд.- СПб.: Питер, 2007.751с.: ил.

113. Зернов Н.В., Меркулов Г.В. Энергетические характеристики антенн, излучающих негармонические волны./Радиотехника, 1991.№1.С.68-71.

114. Фельдштейн А.П., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волновой техники. /М.: Советское радио, 1967.

115. Schantz Н. The Art and Science of Ultrawideband Antennas // Artech House, Norwood, Masachussetes, 2005.