автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Георадиолокация и одностороннее радиопросвечивание грунтов и сред с поглощением

' 1 О и Н

ЙоСкШ^К^МоСУДЛРСТВЕННЬТЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На правах рукописи

ЛЕ1ЦАНСКИЙ Юрий Илларионович

УДК 621.3964621.371 +537.226 »

ГЕОРАДИОЛОКАЦИЯ И ОДНОСТОРОННЕЕ РАДИОПРОСВЕЧИВАНИЕ ГРУНТОВ И СРЕД С ПОГЛОЩЕНИЕМ

Специальность: 05.12.04- Радиолокация и радионавигация.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва

1998

Работа выполнена на кафедре Физико-математических проблем волновых процессов Московского физико-технического института (государственного университета)

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Каплун В.А.

- доктор технических наук, с.н.с Павельев В А.

-доктор технических наук, профессор Троицкий В.И.

Ведущее предприятие - АО Радиотехнический институт им. академика А.Л. Минца.

Защита состоится « / » О КГ. 1998 года в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 072.05.03 при Московском государственном техническом университете гражданской !шиации.

С диссертацией можно ознакомится в библиоггеке МГТУГА.

Автореферат (доклад) разослан «'2 У » 1998 года

Ученый секретарь Диссертационного Совета доцент, к.т.н.

Попов АС.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация представлена в форме научного доклада, подготовленного по сследованиям, выполненным лично автором доклада, а также совместно с нско-врыми участниками руководимого им коллектива.

1.1. Введение и актуальность проблемы

В 1958 г. Отдел научных работ Главного управления политехнических ву-эв согласовал с кафедрой, и поручил ей проведение исследований по возможного обнаружения естественных и искусственных неоднородностей в фунте на глу-инах до нескольких метров волновыми методами. Тема была включена в план ажнейших научно-исследовательских работ института и на много лег определила дно из основных направлений, по которому велись исследования на кафедре.

Актуальность проблемы излучения, приема и распространения при одно-гороннем радиопросвечивании грунтов и сред с поглощением, когда передаю-ия и приемная антенны расположены с одной стороны от исследуемой среды, 5язана с конкретными задачами, которые как в 1958 году, так и в настоящее прея, по-прежнему, необходимо решать на практике. Это поиск засыпанных колод-ев, подземных складов и хранилищ, мест захоронения, мест закладки фугасов и ротивотанковых мин в металлических и неметаллических корпусах, установлен-ых на железных, шоссейных и грунтовых дорогах, на аэродромах, а так же выяв-гние ранее заложенных в грунт неметаллических и металлических коммуника-ий, силовых и связных кабелей и проводов. Называли это «подземной радиоло-щией», так как понятие «георадиолокация» еще не было принято.

Позднее, по мере расширения круга вопросов, подлежащих решению мето-ши георадиолокации, к этим направлениям добавилось выяснение возможности гережающего контроля состояния горного массива при проходке тоннелей и гроительстве метро.

1.2. Цели работы

В данной работе рассмотрены следующие вопросы:

1. Исследование электрических параметров песчано-глинистых фунтов 1,6,8] в зависимости от длины волны и влажности и разработка математических оделей фунта для последующего выбора диапазона волн, обеспечивающего наи-эльшую возможную дальность обнаружения конкретных объектов поиска и дос-пгочную для их опознавания разрешающую способность проектируемого геора-жшокатора [29,31,93,98,105].

2. Исследование электрических параметров некоторых строительных мате-г1алов, применяемых для возведения подземных сооружений, с целью последую-его определения контрастности и реальной возможности их обнаружения на фо-

не сигналов, отраженных от естественных неоднородностеи окружающего грунта [32,39].

3. Опенка электрических параметров льда, сухого и мерзлого грунтов.

4. Разработка конструкции, теоретические и экспериментальные исследования свойств щелевых антенн для георадиолокаторов, расположенных на поверхности грунта или горной породы [38, 40, 66 с.25-30, рис. 2.4, рис. 3.3, рис 4.3, 84].

5. Разработка методики расчета эффективной площади рассеяния (ЭПР) различных объектов, расположенных в фунте [66, с.38-49]. Нахождение на поверхности данного тела при его радиолокации зон Френеля в поле, отраженном по направлению к источнику падающей волны [44, с.172-177, 47, 52, 101 с.61-67]. Применение в соответствии с принципом стационарной фазы приближенного «инженерного» метода сечений [69 с.139-149, 71 с.169-183, 90]..

6. Выяснение дальности действия некоторых видов георадиолокаторов в реальных условиях. Сравнительные возможности некоторых видов георадиолокаторов. Испытания георадиолокатора с ударным возбуждением излучающей щелевой антенны малой добротности:

а) в условиях Северо-Муйского тоннеля [72],

б) в условиях строительства метро в гор. Днепропетровске [73].

7. Учет при георадиолокации коррелированных помех от обычного неоднородного песчано-глинистого грунта [67] и трещиноватого гранита.

1.3. Объекты и методы исследования

1. Проводилась подготовка песчаного и глинистого грунтов для их исследования. Создавались измерительные стенды из серийной аппаратуры, велась разработка и изготовление недостающих к ним несерийных конструкций, таких как измерительные волноводы и измерительные коаксиальные линии с целью проведения последующих исследований электрических параметров песчано-глинистых грунтов, а также некоторых строительных материалов на целом ряде частот, определяемых в значительной степени конкретными аппаратурными возможностями, а также научной целесообразностью.

Измерения выполнялись в соответствии с методом «короткого замыкания». Большая часть измерений и их обработка проводилась Г.Н. Лебедевой с помощыс достаточно точных номограмм, специально вычисленных ею для этих расчетов на ЭВМ типа БЭСМ-2 и Сгрсла-3.

Разрабатывалась математическая модель электрических параметров песча-но-глинистых грунтов п зависимости от длины волны, влажности, относительной: содержания песка и глины и температуры грунта с применением формулы смеси Бсренцвейга для составляющих грунта, и формулы Дебая для молекул воды [29, 31, 93, 98, 105] с учетом экспериментальных данных [3,6,8], найденных ранее е диапазоне сантиметровых-метровых радиоволн при температуре 18-20 °С.

2. Разрабатывались и изготавливались действующие макеты щелевых антенн, а также действующие модели этих же антенн, уменьшенные по сравнению < натуральными размерами в 4-10 раз.

3. Было сконструировано и изготовлено специальное устройство, заполнен-ое песком, для снятия диаграмм направленности щелевых антенн в грунте и оп-еделения их относительной полосы пропускаемых частот на моделях [40].

4. Развязка между приемной и передающей антеннами при различном их здимном расположении, а также входные сопротивления антенн исследовались ж на моделях, расположенных па поверхности песка [40], так и в натурных экс-ериментах на макетах антенн, расположенных на поверхности реального грунта

5. Для проверки работоспособности и настройки а1ггенн изготавливались арами неглубокие отдельные для каждой антенны колодцы, разнесенные друг от эуга на 1-4 м [77].

6. Была сконструирована песчаная ванна как для размещения моделей ан-:нн, так и для размещения моделей объектов поиска.

7. В открытом 1рунте в лесу рядом со зданием лаборатории были произведе-закладки различных объектов поиска, часть из них на глубине до 3-3.5 метров.

8.Изготавливались конкретные георадиолокаторы на различные длины волн.

9. Велось рассмотрение электродинамических методов расчета щелевых ан-:нн, расположенных как вблизи, так и на самой плоской или не плоской границе одела сред. Решение подобных задач в литературе отсутствовало, поэтому ис-гедовались самые различные подходящие методы [1,2,4,5].

Первым был рассмотрен метод собственных волн. На практике метод ока-лся далеко не всегда пригодным для решения интересующих нас задач. Нужен лл более универсальный метод.

10. Самым универсальным на наш взгляд оказался метод трехмерных сток», точнее метод конечных разностей для проекций составляющих электро-1ГНИТНОГО поля Е и II по декартовым координатам в уравнениях Максвелла 0,11,16], пригодный даже для сред, неоднородных как по е, так и по ц [12]. Од-1Ко ячейки таких сеток должны заполнять пест, объем или значительную часть ¡ъема интересующей нас Зх -мерной задачи и иметь при этом линейные размеры, гого меньшие длины волны, а это приводит к быстрому росту числа линейных гебраических уравнений по мере увеличения диаметра задачи в длинах волн.

11. Меньшую систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) дает ггод интегро-дифференциалышх уравнений (ИДУ), с использованием электри-ского и магнитного векторных потенциалов, или «метод векторного потенциала» > Фрадину, который и использовался весьма широко автором данного доклада >и проведении описанных ниже исследований [18,30,33,35,51,53,55-59,61-62,64-.,75,77-86,88-89,91-92].

Метод был нами развит применительно к щелевым антенным устройствам, сположенным на границе раздела сред, и к телам, соизмеримым с диапазоном бочих длин волн.

12. В тех случаях, когда диаметр задачи был больше или много больше рас-атриваемых длин волн, применялся значительно более простой в вычислитель-м плане приближенный метод, опирающийся на лемму Лоренца.

Лемма Лоренца была использована в следующих наших работах [9,17,36,4' 48,66,69,71,74,90,100-101,102,1041, посвященных расчету прямого проховдеш через блок щелевых антенн и нахождению сигнала, отраженного от объектов ра личной формы, расположенных в однородной среде.

1.4. Научная новизна

1. Впервые экспериментально исследованы электрические параметры о дельно песчаной и отдельно глинистой составляющих единого песчано-глинисто] грунта в зависимости от влажности в диапазоне радиоволн от 0.8 см до 226 с! что позволило, помимо электрических параметров песчаного и глинистого групп также впервые рассчитать электрические параметры «слоя вмывания» «стандартного грунта». Полученные данные до ста пор уникальны.

2. Впервые, опираясь на формулу Беренцвейга для смеси диэлектриков, 1 формулу Дебая для воды и на упомянутые выше экспериментальные данные, П1 строена математическая модель поведения электрических параметров песчано] грунта: показано, что в диапазоне радиоволн длиной от сантиметра до метра пр водимость влажного песчаного грунта снижается на три порядка. Далее для вол! длиннее 1 метра, эта проводимость не меняется.

3. Опираясь на те же формулы и экспериментальные данные, показано, чт проводимость глинистого грунта плавно снижается от сантиметровых волн до с мых длинных радиоволн на те же три порядка, и на волнах длиннее 300 км., чт соответствует частоте радиоколебапий меньше 1 килогерца, проводимость грунт вого раствора глинистого грунта вплотную приближается к проводимости грунт вого раствора песчаного фунта.

4. Установлено, что диэлектрическая проницаемость песчаной составля! шей грунта увеличивается на 3, а глинистой составляющей на 4 порядка по ме) увеличения длины волны от 1 см до 10 см. При дальнейшем увеличении дго волн их диэлектрические проницаемости остаются неизменными.

5. Показано, что в отличие от этого, смесь песчаного и глинистого грунт< дает некоторое дополнительное увеличение диэлектрической проницаемости 1 волнах порядка 10 метров, где для такой смеси, содержащей 1/4 - 1/5 глимисп составляющей, называемой в данном докладе «стандартным грунтом», имеет м сто явно выраженный подъем величины Ке(с) (эффект Максвелла-Вагнера).

6. Впервые исследовано экспериментально и теоретически с помощью мст да векторных потенциалов поведение щелевой антенны на плоской поверхнос" границы раздела срсд с учетом взаимного влияния электрических и магнить поверхностных эквивалентных токов всех элементов этой поверхности, а также учетом влияния, возникающей на этой границе поверхностной волны, на растек нис электрических токов по «крыльям» антенны, на развязку верх-низ для кажд( антенны в отдельности и на общую пространственную развязку между переда] щей и приемной антеннами георадиолокатора в зависимости от' взаимной орие тации антенн и расстояния между ними.

7. Экспериментально определен коэффициент полезного действия двух антенн с частичным ферритовым заполненном на сухом грунте.

8. Расчетным путем и экспериментально найдены структура электромагнит-гого поля исследуемых щелевых антенн, расположенных на плоской поверхности рунта, в Е- и II- плоскостях, их коэффициенты направленного действия, входные :опротивлсния, полоса пропускаемых частот для различных грунтов.

9. Проведено сравнение результатов расчетов прямого прохождения радио-юлн из раскрыва излучающего волновода в раскрыв приемного волновода, Полуниных различными способами, для случаев, когда фланцы этих волноводов рас-голожены рядом на общей металлической пластине и имеют с ней и друг с другом шектрический контакт. Расчеты показали, что как метод векторных потенциалов, ак и метод с применением леммы Лоренца дают в этом случае результаты, совпа-[ающие с экспериментальными данными.

10. Разработаны новые две методики расчета обратного радиолокационного »ассеяния от тел различной формы: по фрагментам зон Френеля обратно рассеян-гого поля и методом «сечений» в соответствии с принципом стационарной фазы.

11. С помощью леммы Лоренца впервые рассчитана диаграмма обратного, >адиолокационного рассеяния радиоволн от объемного тела прямоугольной фор-

1Ы.

12. Выполнено уникальное экспериментальное исследование маскирующего (ействия коррелированных помех от естественных неоднородностей грунта и рещиноватого обводненного гранита.

1.5. Практическая ценность работы и ее реализация

Включенные в данный доклад результаты получены или лично автором док-ада, или автором доклада совместно с другими участниками научно-сследовательской работы по рассматриваемой тематике, выполняемой но планам ажнейших работ бывшего Минвуза СССР, по Постановлениям бывшего ГК СМ :ССР по науке и технике, по заданиям НИИ и КБ различных ведомств, а в по-леднее время по заданиям НИИ и КБ Министерства Промышленности России, а акже по договорам о сотрудничестве с различными организациями в период с 958 по 1998 год включительно.

Целый ряд полученных результатов доведены до инженерных решений в иде формул, графиков и практических рекомендаций [8,9,17-20,26,31- . 3,36,38,40,44,49,52,57-59,61,62,64-67,69-74,82,85,90-93,98,99,101,102,104].

Рассчитаны и изготовлены измерительные установки для исследования лектрических параметров грунта, определения его влажности и пористости, для сследования электрических параметров некоторых строительных материалов, для иятия диаграмм направленности антенн в грунте, для измерения величины раз-язки между антеннами при их различном взаимном расположении на поверхно-ги грунта, произведены закладки различных искусственных неоднородностей в эунт, используемые в НИР МФТИ и НИР других организаций. Для георадиоло-аторов разработаны малогабаритные щелевые антенны двух видов. Имеются

конкретные схемные и программные решения, методики расчет параметров ср< и антенн, и методики обработки принимаемых сигналов.

Действующие макеты и опытные экземпляры антенн и георадиолокаторс были изготовлены совместно с АО ЦНИИС НИЦ «Тоннели и Метрополитены» совместно с НИИП Мин. Пром. России (гор. Жуковский). Часть макетов локаторе и антенн после соответствующей нашей проверки или настройки были передан этим организациям. Два георадиолокатора НИИП с такими антеннами приобрет ны Государственным таможенным Комитетом РФ, по одному георадиолокатору такими же антеннами были приобретены Генеральной прокуратурой РФ и Комп нией Ростелеком. Краткое описание локатора и его антенн приведено в журна. «Разведка и охрана недр.» М.: Недра. 1997. №7, (см центральную вкладку). On сание локатора помещено в журнале «Современные технологии и автоматизация 1997. №1. Изд. СТА-П^КСС. с.88-92. Один локатор в настоящее время дорабат] вается в соответствием с конкретным заданием ГП РОСДОРНИИ под руков дством доцен га кафедры, к.т.н. Чубинского Н.П. - ведущего разработчика ради технической части последних вариантов георадиолокаторов МФТИ, второй таю же локатор уже передан ЗАО Геологоразведка.

Практическая ценность опубликованных нами данных но электрическим п раметрам песчано-глинистым грунтов следует из того, что эги данные были заш ствованы из наших работ другими авторами. Так в книге М.И. Финкельштейна др. «Радиолокация слоисгых земных покровов». М.: Сов. радио, 1977, имеют, ссылки на две наши работы [6] 1968 года, и [8] 1971 года, а фактические данш из работы [8] пошли в справочный материал этой книги. Имеется ссылка на раб ту [8J и в книге A.M. Шутко «СВЧ - радиометрия водной поверхности и почве рунтов». М.: Наука, 1986. Ссылки на данные, приведенные в работе [8], имеют и в зарубежных статьях:

1. Wang .Т.К.. Schmuggc T.J./ JEEE Transactions on Geoscjence and Reme Sensing. October 1980. V. OF,-18. №4. P.288-295.

2. Hallikaincn M., Ulaby F.T., Dobson M.C., El-Rayes M. / Proceedings IGARSS'84 Symposium, Strasbourg, 27-30 August 1984. Ref. ESA SP-215 (publish, by ESA Scientific and Technical Publication Branch in August 1984).

3. Microwave Remote Sensing : Active and Passive, from Theory to Applicatior F.T. Ulaby, R.K. Moore, A.K. Fung, Norwood : Artech House, 1986. V.3. P.2089-211 (Remote Sensing. A Ser. of Advanced Level Text Books and Reference Works).

Методики и результаты экспериментальных и теоретических исследовани упомянутые в данном докладе и стат ьях, приведенных в конце доклада, использ ются в учебном процессе на факультете «Проблем физики и энергетики» МФТИ читаемом автором данного доклада базовом курсе лекций «Электродинамика и лучающих устройств», в НИР кафедры, выполняемой при участии студентов, а пираптов, сотрудников и преподавателей кафедры, а также при подготовке новь публикаций, написании дипломных работ и кандидатских диссертаций.

На основании проведенных за 40 лет НИР по теме доклада были выполнет и успешно защищены под научным руководством автора данного доклада 14 ка дидатских диссертаций и 48 дипломных работ.

1.6. Публикации и апробация результат)« работы

Научные и практические результаты по теме доклада отражены в 106 публикациях (см. список публикации в конце данного доклада), из которых 4 зарубежные, 2 учебных пособия по теме доклада, 3 авторских свидетельства на изобретения, 10 статей опубликовано в центральных научных журналах, 50 в научно-технических ведомственных и междуведомственных сборниках, 26 статей и кратких сообщений приведены в сборниках трудов научных конференций, 14 статей депонированы в ВИНИТИ, из них 10 от МФТИ, 3 от конференций МФТИ и 1 от редакции журнала «Радиофизика».

Материалы работы отражены более чем в 50 НТО по НИР, выполненных в соответствии с заказами организаций различных Всесоюзных ведомств в прошлом, а в последнее время в соответствии с заказами НИИП (г. Жуковский) Министерства Промышленности России, Государственного Предприятия (ГП) РОС-ЦОРНИИ и ЗЛО Геологоразведка.

Результаты работы докладывались на трех международных конференциях и на международной ассамблее (всего 8 докладов), на Всесоюзных и Всероссийских аднференциях и сессиях (7 докладов), .на Московских конференциях (4 доклада), ча научно-технических школах и семинарах (6 докладов), на внутривузовских конференциях (более 28 докладов личных и совместных со студентами и аспирантами), в том числе: на IX и XI Конференциях молодых ученых МФТИ (1984г., 1986г.), на Всесоюзных научных сессиях, посвященных Дню радио ВНТОРЭС, Москва (1984г., 1989г.), на Всесоюзной конференции по влагометрии, Кишинев 1987г.), на международном Симпозиуме по антеннам и распространению радио-юлн ,18ЛР-92, Саппоро. Япония (1992г.), на Научно-техническом семинаре ЧПОРЗС, Смоленск (1992т .), на Научно-технической конференции Московского П'ОРЭС, Суздаль (1992г.), на XXIV Генеральной ассамблее УРСИ. Киото, Ягто-1ия (1993г.), на IV Международном научно-технической конференции РНТОРЭС, Зологда (1994г.), на первой школе-семинаре «Георадар в России» Евро-азиатского "еографического общества. Ассоциации Инженерной Геофизики, МГУ, фирмы сГео. Инвест. Консалтинг», Москва. МГУ (1996г.), на XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн РАН, Научного совета по комплексной троблеме «Распространение радиоволн», ИРЭ РАН, ГК РФ по высшему образова-шю, НИИ радиофизики при С.-П. Гос. Университете, С.-Петербург (1996г.), на 1аучной сессии, посвященной Дню радио РНТОРЭС, Москва (1997г.).

Полностью работа докладывалась па кафедре Физико-математических прочем волновых процессов МФТИ в 1998 году.

1.7. Стт-кпц'ра и объем научного доклада

Доклад построен на основе многолетних экспериментальных и теоретиче-ких исследований, в нем учтены 106 публикаций как лично соискателя, так и со-

искателя совместно с указанными в списке литературы членами руководимого и научного коллектива и состоит из четырех разделов, выводов и списка литераг ры,

2.1. Электрические параметры влажных песчано-глинистых грунтов и нею торых строительных материалов.

2.2. Щелевые антенны на плоской границе раздела сред. Ближняя простра! ственная развязка. Расчет сигнала прямого прохождения.

2.3. Расчет полезного сигнала, отраженного от искомого объекта.

2.4. Радиолокация объектов в материальных средах при одностороннем р; диопросвечивании.

1.8. Основные положения, выносимые на защиту

1. Достоверность экспериментальных значений диэлектрической проница! мости t; и погонного затухания радиоволн Q дБ/м или эквивалентной этой велич! не проводимости ст См/м, отдельно для глинистой и отдельно для песчаной фра] ций нссчано-глинистого грунта в зависимости от длины волны и влажности пр температуре порядка 18-20°С по результатам прямых измерений коэффициеш бегущей волны и положения минимума напряженности электрического поля в и: мерительных линиях, а именно по методу «короткого замыкания», на длинах вол 0.816; 1.9; 3.17; 9.975; 30; 90 и 226 см с помощью номограмм, впервые специальи вычисленных и построенных для проведения данных расчетов с достаточной ст пенью точности и аналогичные экспериментальные данные для влажных стро] тельных материалов: красного кирпича, древесины и затвердевшего цементно1 раствора (цементного камня).

2. Математическая модель электрических параметров различных песчат глинистых грунтов, разработанная лично автором доклада, и результаты вычисл ния конкретных значений, выполненные автором доклада в соавторстве с ряда участников руководимого им научного коллектива;

- применение по инициативе автора доклада формулы P.A. Беренцвейга д| получения правдоподобного и единообразного определения электрических пар; метров статистических смесей, представляющих собой различные песчаН' глинистые грунты;

- учет в соответствии с формулой П. Дебая частотной и температурной зав] симости электрических параметров воды в качестве одной из составляющих вла> ного грунта;

- результаты вычисления электрических параметров рассмотренных песч но-глинистых грунтов и совпадение этих результатов со значениями, получеши мн экспериментальным путем при температуре ] 8-20°С на волнах, короче 10 см;

- занижение таких же результатов по сравнению с экспериментом на бол длинных волах, позволяющее но этой разнице выяснить величину свободно - по, вижной ионной проводимости грунтового раствора песчаного грунта, равную нашем случае 0.1 См/м, независимо от длины волны;

- выбор линейной зависимости для ионной проводимости грунтового раствора песчаного грунта от температуры на более длинных волнах с коэффициентом 0.02 CM/(M-t), который взят в соответствии с теорией слабодиссоцнированных растворов;

- эти данные и данные о температурной зависимости, содержащиеся в параметрах формулы Дебая, позволяют получить верные значения с и а влажного песчаного грунта для значений объемной влажности от 10% до предельного влаго-содержании, равного 30% у песка, и для температур 2, 10, и 18°С в диапазоне волн от 5 мм до воли, длиннее 5 км;

- ira волнах, длиннее 10 см, наибольшее значение диэлектрической проницаемости у песчаного фунта, увлажненного до предельного объемного влагосо-держания, равного 30%, близко к еп~17, а у глинистого фунта, увлажненного до своего предельного влагосодержания, равного 37%, близко к ег 22;

- на всех волнах, длиннее 1 м, ионная проводимость песчаного грунта - величина постоянная, равная а\\ 0.01 См/м при 30% влажности;

- полная ионная проводимость глинистого грунта, состоящая из «проводимости» связанной, колеблющейся части ионов и из свободно - подвижной части ионов почвенного раствора и набухших частиц глины, увлажненной до предельного объемного влагосодержания 37%, выше ионной проводимости максимально увлажненного песчаного грунта на всех длинах волн: на 20 см волнах она в 3 раза выше ионной проводимости максимально увлажненного песчаного фунта, на волнах порядка 1 м она в 30 раз выше проводимости песчаного фунта и на волнах порядка 5 км она опять всего в несколько раз выше проводимости песчаного фунта;

- имеет место явная тенденция асимптотического приближения проводимости почвенного раствора глинистого грунта к проводимости почвенного раствора песчаного фунта по мерс уд;шнения волны, так что в пределе на очень длинных волнах, по видимому, имеет место фактически единый почвенный раствор с общим ионным составом.

3. Конструкции разборных измерительных прямоугольных волноводов и коаксиальных линий, разработанные автором данного доклада с целью закладки в них исследуемых образцов фунта или строительных материалов, отдельно для каждой из семи указанных выше длин радиоволн в пределах диапазона 0.8-226 см включительно.

4. Конструкции и результат ы теоретических и экспериментальных исследований щелевых антенн с внешними и внутренними «крыльями», при размещении антенн на лобовой или боковой поверхности тоннеля, или на поверхности фунта в целях георадиолокации, и двущелевого датчика для определения влажности и пористости фунта.

5. Устранение противотоков при расчетах поля в раскрыве широкой щели путем учета поглощения радиоволн во влажном фунте.

6. Применение леммы Лоренца для расчета диафамм рассеяния тела сложной формы при моностатической или бистатической радиолокации и расчет диа-

\г

граммы обратного рассеяния при моностягичсской радиолокации от тела прямо угольной формы.

7. Результаты исследования влияния коррелированных помех на глубину об наружгепия объектов георадиолокатором в песчано-глинистом грунте и на даль ность обнаружения разломов в трещиноватых гранитах.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАКОТЫ

2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВЛАЖНЫХ ПЕСЧАИО ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ II НЕКОТОРЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИЛ ЛОБ

Песиапо-глитюпые грунты. Коэффициент поглощения плоской однородно! волны в материальной среде с проводимостью а См/м находится следующим об разом:

~ ... 54.5

ОдУм =-------

X

" Кс(с)] • О'

где ]Тт(к)| = 601а " (2

-мнимая часть диэлектрической проницаемости рассматриваемой среды, X длинна волны в свободном пространстве и метрах.

Формула Беренцвейга для тщательно перемешанной, статистически одно родной смссн из к составляющих имеет вид

£ с; -С . „ 5:+2С

с - с + '7П—1......(3

к 1 2Р1

1=0

к V. к

Rj +2г.

где s= 2Pi':i - Pi = —V = Vvi. Таким образом, р, - объемное содержа i=0 V i=0 нис i- той составляющей, V - полный объем среды, V, - объем i - той составляю щей. Формула (3) выписана для к составляющих смеси. Остальные параметры j (3) можно определить следующим образом: р,,-= n - pi - объемное содержание воз духа. Диэлектрическая проницаемость воздуха принимается равной единице. Объ емная влажность образца - pi равна V,/V, р2= 1 - п - объемное содержание твердо} фазы. е2 - диэлектрическая проницаемость твердой фазы для кварца и полевой шпата равна 4.6. С] - диэлектрическая проницаемость грунтового водно минерального раствора (электролита) и пленочной влаги представляет собой ал гебраичсскуто сумму двух слагаемых

ei =ед + j60Xo„, (4

где ои - ионная проводимость гру7гтового раствора, а сл ■рическая проницаемость дистиллированной воды

- дсбаевская диэлек-

(5)

?.т соответствует частоте релаксации молекул воды - Г,п, = с / Гт, скорость света в метрах в секунду.

Параметры в формуле (5) зависят известным образом от температуры в фа-усах Цельсия и приведены в работах [93, 98].

Ионная составляющая проводимости грунтового раствора - аи имеет вид

где =0.02 для всех слабодиссоциировапных растворов, а 1^=18°С, что соот-стствует температуре, при которой проводились экспериментальные измерения лектричсских параметров песчаной и глинистой составляющих грунта в работе 3]. При этом проводимость г рунтового раствора

Песчано-глигшстыс грунты включают п себя мельчайшие коллоидные час-ицы (диаметром менее 0.25 мкм) вторичных минералов каолинита, монтморил-онита или иллита и имленягые частицы первичных минералов кварца и полевого шата (физическую глину с диаметром частиц от 0.25 мкм до 10 мкм), которые в эвокупности с коллоидными частиками определяют особенности поведения гли-истых г рунтов во влажном состоянии. В силу явления поверхностного натяже-ия, влага прежде всего сосредотачивается именно на поверхности этих мельчай-гих частиц грунта в реальном пссчано-глинистом грунте любого состава.

Электрические параметры этой части груша соответствуют параметрам редельно увлажненного глинистою грунта, которые известны из .-жеиеримен-шьных данных работы [8] па волнах от 0.8 см до 226 см. Используя формулы (1), !) и значения Ке(е) и О в Дб'м, взятые из [8| для данной длины волны, найдем гачение проводимости аг глинистого грунта на этой длине волны.

Применим формулу Бсрснцвейга для двухфазной смеси, состоящей из гли-истых частиц и глтшетого грунтового раствора, разрешенную относительно

эмплексной диэлектрической проницаемости глинистого раствора с^ [31]. Вы-

гем из е^ дебаевскую составляющую комплексной диэлектрической проницае-ости - Ед дистиллированной воды и найдем ионную составляющую проводимо--и глинистого грунтового раствора на данной длине волны - .

(6)

°1 =(Тд

(7)

Добавим к предельно увлажненным глинистым частицам сухие глинистые i песчаные частицы, состоящие в основном из первичных минералов кварца и по

левого шпата, а также воздух. Зная nj = од глинистого грунтового раствор!

и меняя его объемное содержание в глинистой составляющей смеси, найдем ni формуле Беренцвейга диэлектрическую проницаемость данного сложного по со ставу влажного грунта от нулевой влажности до предельного насыщения влаго! его глинистой составляющей.

Когда все глинистые частицы будут увлажнены, начнет увлажняться песча пая составляющая грунта. Для песчаного полностью увлажненного грунта такж известны электрические параметры [8]. Исполътуя те же формулы (1), (2) и значе ния Re((-) и Q в Дб/м, взятые из [8] для песчаного грунта, найдем значение прово димости а" песчаного грунтового раствора.

Применим формулу Беренцвейга для двухфазной смеси, состоящей из пес чаных частиц и песчаного фунтового раствора, разрешенную относительно ком

плексной диэлектрической проницаемости песчаного фунтового раствора - е| [31]. Вычтя из ej® дебасвскую составляющую комплексной диэлектрической про ницаемости - ед дистиллированной воды, найдем ионную составляющую прово димости песчаного грунтового раствора - стЦ на данной длине волны. Зна гг" =ад песчаного фунтового раствора и меняя его объемное содержание

найдем по формуле Беренцвейга диэлектрическую проницаемость влажной песча ной составляющей фунта от нулевой влажности до полного насыщения влага этой составляющей рассматриваемого грунта. Складывая объем влаги в глинисто) н песчаной составляющей данного фунта, найдем его истинную объемную влаж ность. А смешивая по формуле Беренцвейга смесь влажного глинистого фунта сухих частиц глинистой и песчаной составляющих фунта. а также порового воз духа в пределах полного объема пор данного образца грунта, незаполненных рас твором, найдем комплексную диэлектрическую проницаемость данного образц грунта при влажности, соответствующей частичному или полному заполНент пор грунтовым раствором глинистой составляющей грунта. Для больших значс ний влажности по формуле Беренцвейга смешиваются предельно увлажненны; глинистый фунт, влажный песчаный фунт, сухие частицы песчаного фунта и по ровый воздух в пределах пор песчаного грунта, еще не заполненных раствором.

Все эти данные позволяют найти зависимость комплексной диэлектрическо проницаемости данного фунта or его объемной влажности на данной длине вот ны. Повторяя расчеты на других длинах волн, на которых проводились исследова ния фунтов в работе [8|, получим зависимость комплексной диэлектрическо; проницаемости данного фунта от длины волны. Это позволяет построить для дан иого фунта кривые при любой влажности от длины волны в воздухе для величи Re(c) и o=Im(e)/60A., где X в метрах.

Реально задача упрощалась в связи с тем, что первыми были построены кривые для однофракцнонпого песчаного и однофракциоппого глинистого грунтов (рис.1, рис.2, рис.З, рис.4). Для «слоя вмывания» и «стандартного грунта» смешивались но формуле Беренцвейга предельно увлажненный глинистый грунт, влажный песчаный грунт, частицы сухого песка и воздух в нужных объемах (рис.5, рис.6, рис.7, рис.8). Стандартный грунт предназначен для предварительных расчетов дальности действия и разрешающей способности проектируемых георадиолокаторов.

Замечания к полученным результатам. Первые кривые, построенные на рисунках с первого по восьмой, относятся к 8°С, что соответствует температуре, при которой проводились экспериментальные исследования песка и глины [8]. Затем, используя известные температурные зависимости для параметров gq, е«,, и аП1 в формуле (5) и зависимость от температуры, указанную для ионной проводимости грунтового раствора в формуле (6), на этих же рисунках были построены кривые для температур 2° и 10°С.

Все кривые на указанных выше рисунках для Re(c) и ст грунтов в зависимости от частоты удовлетворяют правилу Крамерса-Кропига так же, как, разумеется, и исходная формула Дебая. Это, в частности, проявляется в том, что на оси, вдоль которой отложены длины волн, при тех значениях длин волн, на которых пересекаются кривые для Re(s), относящиеся к разным температурам, кривые для а грунта идут параллельно друг другу и наоборот, на длинах волн, соответствующих пересечению между собой кривых для а, кривые для Re(c) идут параллельно друг ДРУГУ-

На рис.9 показано изменение проводимости грунтового раствора песчаного а" и глинистого грунтов о| в зависимости от длины полны в свободном пространстве Я-о- Видно, что на волнах, длиннее одного метра, проводимость грунтового раствора песчаного грунта переходит в постоянную ионную проводимость

a|jw0.1 См/м [31,93,98], а ионная проводимость глинистого грунтового раствора

сти>сти> н0 постепенно с ростом длины волны приближается к ионной проводимости песчаного грунтового раствора. Таким образом, на низких частотах эти кривые для сг J] и грунтовых растворов, по-видимому, совпадут. Однако, влажность и проводимость глинистого грунта при предельном увлажнении обоих грунтов останется несколько выше, чем у песчаного так, как глинистый грунт имеет пористость 37%, а песчаный 30%. При уменьшении влажности первым потеряет влагу песчаный грунт, и только после этого начнет уменьшаться влажность глинистого грунта.

На рис.10 приведены кривые для определения проводимости воды наземных и подземных водоемов с открытым, свободным зеркалом воды - аов , находящиеся обычно в пределах области значений I от 10"1 до 10"2 См/м, и проводимость дистиллированной воды - а(|, обычно находящаяся в пределах области значений II от

16

ш

£ Оч

8

0.01

16

У

о,с

X/

10*

30% 10о

1

20% Ч &

ю3

10%

18°С ю0°с 2 С

*«=-.-г-Р----

1,0 Рис.1.

100

2С ОС 8 С

5-Ю3 М 0,01

Песчаный грунт. 337% ю2"

130%

О

^20%

30% 20%

1,0 100 Рис.2.

10% 5-Ю3

10%

Рис.3.

103

Глинистый грунт.

18°С =ю!с

37% 20% 10%

Рис.4.

ч

к == юс

--18иГ

11%

9%

6% 3%

ю3

18:с = 10 с

Рис.5. «Слой вмывания».

10'1

30% „,

20% О1

Рис.6.

10% Ю 10'

11% 6% 3%

18°С = 10 с

к0

Рис.7.

М* 0,0!

«Стандартный груш».

1,0 100 Рис.8.

5-10

30% 20% 10% ,3

10"3 до 10"* См/'м. Различие между указанными значениями определяется количеством мельчайших минеральных частиц, присутствующих в той пли иной воде.

Там же приведены кривые для Не(с) воды в зависимости от длины волны и температуры.

Строительный красный кирпич, силикатный цемент (затвердевший рас-шоу) и древесина сосны при 18-20°С. Образцы изготавливались на разные диапазоны волн в соответствии с поперечными размерами измерительных отрезков волноводов или коаксиальной линии с внутренним сечением наружного проводника квадратной формы. При этом внутренний проводник коаксиальной линии имел круглое сечение.

Образцы замачивались, затем выдерживались во влагоизолирующих условиях. Затем деревянные образны опиливали и рассверливали для восстановления первоначальных размеров и все образцы по очереди помещали в отрезки измерительных волноводов и коаксиальной измерительной линии и проводили измерения но методу «короткого замыкания». Результаты этой многолетней работы кратко изложены в работе [39].

Расчеты электрических параметров кирпича и цементного камня в зависимости от влажности приведены п работе [32].

В работе [3] в 1962 году впервые были опубликованы результаты экспериментальных исследований электрических параметров влажных песчаного и глинистого грунтов от длины волны в пределах сантиметровых и дециметровых радиоволн. Эш данные были заимствованы из внутреннего институтского отчета МФТИ, выполненного при участии и под руководшом автора данного доклада еще в 1961 году (рис.11). В том же отчете 1961 г. были приведены результаты первых исследований электрических параметров влажного красного строительного кирпича, затвердевшего цементного раствора и древесины сосны в том же диапазоне радиоволн (рис.12).

Как видна из прииелстплх кривых, псе они подобны друг Другу. Наименьшие потери имеют место в песке, древесине и кирпиче. В глине при той же влажности имеет место погонное затухание радиоволн в децибеллах на метр в два раза большее, а в цементном камне - в четыре раза больше. Это объясняется тем, что в молекулах необожженной глины и, особенно, в молекулах цементного камня содержится некоторое количество присоединенной воды, которую глина теряет при обжиге (превращаясь, например, п кирпич), а цементные изделия при высокотемпературном прокаливании, когда они переходят в исходный цементный порошок.

На рис.13 и рис.14, для примера показано поведение семейства кривых Яе(г.) и 1гп(с) красного строительного кирпича из работы [32] при различной влажности в зависимости от длины волны. Подобные же кривые имеют место для песчаного грунта и древесины.

Данные кривые имеют минимум 1т(е) в диапазоне длин волн приблизительно от 30 до 80 см в воздухе, что соответствует минимуму тангенса угла потерь электромагнитной волны и означает что в указанном диапазоне волн имеет место наивысшая разрешающая способность по дальности при распространении радиоволн в этой группе сред, например, в песчаном грунте.

V

== 8и0С ЮС 2 С

л —g

\ Л............J бП

Refei) 2 С 10 С -18°С

/Д чбов Г

-—j

18°С 10 С 2 С 1"

rí-2

0,01 \бд 100 5-Ю3 Х)М 0,01 1,0 \оо 5-ю*

Рис.9. 8ода

Рис.10. \6д

\

Влажн.20%

;\ Глииа

Пес 1 OK \

10

Рис.11.

10'

i с? 10'

ю1-

100 Х,см

з \ Влажн.20%

^Ч^Цеменг

■ I 1 \\ Кирпич Дерево хч

10

100

Рис.12.

30%

/ 20%

V У

1Ü /а

— и%

Ä? ä

1

10"1 10° 10* ю3 1 о3 10° ю1 ю2 103

Рис.13. ,, Рис.14.

Кирпич

Подобное свойство огсу(ствует у сред другой группы, к которой относятся влажный глинистый грунт и твердый влажный или воздушно-сухой цементный камень. В этих средах с ростом длины волны число линий разрешения на длину волны плавно уменьшается.

Дальность обнаружения неоднородное! ей в тон или иной среде определяется главным образом величиной Q дБ/м (рис.11, рис.12). В соответствии с тем, что Q дБ/м падает с ростом длины волны (1), следует, что при этом дальность обнаружения неоднородностей увеличивается (но разрешение при этом падает, как отмечено выше).

Величина ст См/м (рис.2, 4, 6, 8) наглядно показывает физическую сущность различия между песчаными и глинистыми фунтами.

Некоторые слабо поглощающие среды. К таким средам следует отнести гранит, диэлектрическая проницаемость которого, как выяснилось при работе в Северомуйском тоннеле, близка к 5, пресноводный лед, для которого в на метровом и дециметровом диапазонах имеет значение порядка трех и мерзлый фунт, имеющий е«3-4, наконец, все среды, не содержащие в воздушно-сухом состоянии присоединенную воду, например, сухой красный кирпич, сухая древесина, сухие песчаные фунты и т.д.

2.2. ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ НА ПЛОСКОЙ ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД. БЛИЖНЯЯ ПРОСТРАНСТВЕННАЯ РАЗВЯЗКА. РАСЧЕТ СИГНАЛА ПРЯМОГО ПРОХОЖДЕНИЯ

Расчет входного сопротивления щелевой агтгеппы с односторонним тп.ту-чением. Рассмотрим антенну в виде щели, прорезанной в металлической пластине. Избежать двустороннего излучения можно, закрыв щель с одной стороны закороченным отрезком волновода длиной четверть резонансной длины волны.

Для расчета входного сопротивления щели воспользуемся методом векторного потенциала fl8, 66, 70]. Разобьем щель на к равных элементов AS^. Схему расчета кратко можно представить так:

Et->jra-+Äm->HlT. Задавшись постоянным в пределах каждого элемента полем Ех(1с), имеем в элементах щели jm(k) = |E(k),n|. Определим в центре каждого элемента величину векторного потенциала:

1 ¡«л/^Ь

Am(k) = --Ijm(v)i--ASV, (8)

4" v rkv

о

при v=k ASj, = отсюда находим эффективный радиус г^ для данного

AS^. Соотношение (8) показывает, что в методе векторного потенциала учитывается влияние на k-тый элемент всех других элементов поверхности S = £ASV, в том числе и самого на себя к-того элемента,- Для каждого элемента

Н!х( к) = коеА™ (к) - — егаах{НуАт (к). (9)

^ ¡соц х '

Схема расчета волновода:

Ех —> Кг! Х^п ^2т> гдо п- номер используемой

п п

собственной волны волновода. Задаемся полем Ех(к) в щели, раскладываем его

но поперечным электрическим собственным волнам волновода ТЕтп. В силу

симметрии задачи наибольшую амплитуду будут иметь волны ТЕ] о и ТЕ30. Для

каждой волны имеет место соотношение Нто =Ето/ 7,„о, где Ът§- волновое

сопротивление данной волны:

/ \

7 М

¿шО =-?===-—

2%1,

л Х

где /.ИрОД = ,— —, Ь- длина волновода.

и™,)2

Ч^-проду

V2а) V V2а/

Затем суммируем поля Н|() и II30 и получаем распределение поля Н2Х в раскрыве волновода.

На самой щели в центре каждого элемента (метод коллокации) должны выполнятся граничные условия непрерывности Ёхи Нх. Первое условие мы используем, задавая одну и ту же Ех, и над щелыо, и в раскрыве волновода. Второе граничное условие приводит к тому, что для центрального элемента имеет место

Н)т+Н2т=?, (Ю)

а на боковых элементах Н]х + Нзх ~ 0- (11)

Из-за необходимости проводить численное дифференцирование в соответствии с выражением (9), накапливается погрешность, которую можно устранить, переходя к интегрированию по контуру каждой площадки ДЯу [59,65,83].

Используя для расчетов разбиение щели на N элементов, из этих равенств получаем систему алгебраических уравнений, решая которую находим всех

точках щели.

Четвертьволновый отрезок короткозамкнутого волновода заполним для примера диэлектриком с с = 4.

Решив задачу о структуре поля в щели, находим через Ет центрального

элемента напряжение в щели ищ = ЕХЬ, а через плотность тока ^ находим значение электрического тока, возбуждающего щель,

,Т([( = дд Ь, где Ь - размер стороны квадратного элемента щели, или ширина самой щели, то есть высота питающего волновода.

Входное сопротивление 7.щ - , а Квх антенны равно Ивх = .

•'щ

Составляющие IIа и Ха входного сопротивления антенны на бесконечном >лапце совместно с питающим волноводом при одностороннем излучении в сво-одное пространство в зависимости от длины волны показаны на рис.15. Для равнения на том же рисунке приведены составляющие Ищ и Хщ входного сопро-ивления для одной щели при ее одностороннем излучении, а так же реактивная □ставляющая Хв входного сопротивления четвертьволнового отрезка волновода, шолненного диэлектриком.

Уменьшение полосы частот, пропускаемых антенной, по сравнению с положи частот щели обусловлено в основном тем, что узкую полосу имеет отрезок олновода, заполненный диэлектриком, так как диэлектрик снижает волновое со-ротивление волновода, а следовательно, и входное сопротивление четвертьвол-ового отрезка на всех длинах волн. Однако и щель заметно шутгтирует отрезок олновода, это видно из того, что средние части кривых и Ха вписываются сладу ветвями кривой Хв.

Расширение полосы частот щелевой антенны с гттаюирш волноводом. Стремясь расширить полосу частот антенны, заполнили волновод ферритом марки ■4-1, который на частоте 300 МГц имеет параметры с'= 10, 14, ц"=Т2. Это иачитсльно увеличило входное сопротивление антенны.

С целью уменьшения веса антенны (1 см3 феррита весит 5 г) ферритом за-олнялся только внутренний объем узкой часги зазора между наружными стенка-:и гантелеобразной полости (рис. 16), а раскрыв этой полости поместили на гагакни фланец, края которого образуют наружные «крылья» антенны с обеих сторон т щели. Питающий «гантелеобразный» волновод положили боковой стороной на дно из «крыльев» антенны. При этом для Х.я1 ,8-2м габариты антенны составили 0x40 см в плане, положенный на бок волновод определил толщину всей антенны, явную 7 см. Вес одной антенны с ферритом составил около 2 кг.

Две антенны разнесены друг от друга на расстояние 70 см и соединены меду собой в один жесткий блок с помощью двух изолирующих диэлектрических русков длиной полтора метра (рис. 17).

Излученные передающей антенной в грунт и принятые приемной антенной з фунта импульсы имеют длительность около 10 не. Это обеспечивает разре-гающую способность георадиолокатора по дальности, равную 50см для влажного рунта (к«9) и 75см для сухого грунта (г.»4).

Структура излученного поля, к.п.д. и к.н.д. антенн с ферритом и без фер-ита со щелью, настроенной в резонанс (X;,¡=0). Рассчитав поле в щели [70, 84], ожно найти структуру поля вблизи раскрыва антенны (рис. 18) и определить Явх цтенны на данном грунте (таблица 1). При этом следует иметь ввиду, что эквива-ентная схема антенны с ферритом содержит в себе шунтирующее сопротивление ш, включенное параллельно входному сопротивлению Лвх антенны и учитываю-?ее потери мощности, подводимой к антенне, в феррите, то есть учитывающее .п.д. (л%) антенны с ферритом. Значения Квх в раскрыве антенны, расположен-ой на поверхности того или иного грунта, значения т]%, величина тока, отдавав-

■Ла

1000

500 0

-500

Том!/ Яи// 1 г\л / Хад,

-"ка/

Ха Л [см]

1 12 3 14 15 16 ~

ВиЭ снизу

Вид снизу рис ¡5

|

о ! /

о 1 1

1 1 — 280 —

§

^ф = 75 Ом

-)-|Г|2.Коэфф. прохождения, окно прозрачности

\Л/ф = 75 Ом

л

»,0

0,5 О

500 МГи 1000МГц 1500МГи,

Рис. 21

800 МГц

МГц ЮООМГц 1500МГ и

Рис.20

-1200МГи

/ V

Ч

7 / Е -Г Л. [ч

0° 50 О 120 о 18С

Н-пл.-ч

Рис. 24

-1200МГц

0° 60° 120° 180° 0° 60° !20° 180 Рис.22 Рис.23 ЛДЧ

к_Унч(28-а)

1

0° 60° 120° 180 М Рис.25

сщ

г,

Ре ^ Рис26

Рис.27

Рис.28

н

о

0,0 0,8 1,6 0.0 0,8 1,6

Сухой или.морож. гр. Песчан. гр. 20% вл., !0°С

0.0 Е-пл. 0,0 Н-пл. 0,0

'I 1 ~ г и

0,8 0,8 0,8

1.6 —\ 1 1,6 1-50/ —+ —--"1 1 1,6

2,4 2,4 1 | 2,4

3,0 0,8 1,6 ¡5,0 0,8 1,6

Б-пл.

Н-пл.

Глинист, гр. 20% вл., ГЮ°С Ставд. гр. 20% вл., ^10°С

Л = 1,8м

Рис.180слабление поля в децибелах относительно его значения на оси антенны при расстоянии 1м от плоскости раскрыва.

Таблица1.;^тнна с ферритом АЦГ=200 В. Для всех случаев Хвх-О

Яо=1,8 м Грунт сухой Песок вл.20% Глина вл.20% Ст.гр.вл.20%

е'=4 е'=11+Д.1 6'=12+j4

Ям[Ом] 870 185 61,8 95,5

ЦА] 1.15 2.0 4.14 3.02

Рг[Вт] 230 400 828 603

Л Г%1 20 54 78 69

Антенна без феррита лиг-200В (п[%Н00). Хвк-0

адом] 970 276 74,2 148

1вх[А] 0.206 0.724 2.7 1.35

РеГВт! 41.2 145 540 270

мого УКВ генератором в антенну с ферритом и мощность, расходуемую этим к нератором, указаны в таблице 1 к рис, ] 8.

Антенна с ферритом успешно применялась в георадиолокаторах МФТИ ир исследованиях, проводимых в Северомуйском тоннеле в 1985-1986 годах [72], и тоннелях метрополитена г. Днепропетровска в 1990 году [73]. В это же время пр( должапась работа по дальнейшему усовершенствованию всех элементов георадш локаторов, в том числе и антенн.

Автором данного доклада было решено максимально использовать объси занимаемый антенной, что способствует расширению полосы пропускаемых ча< тот и перейти к экранированной антенне с «внутренними крыльями» битреугол] ной формы, изображенной на стр.24 работы [70] (рис.19), первый вариант коте рой был испытан еще в 1968 году. После соответствующей доработки пришли антенне с внешними габаритами почти такими же, как у антенны с феррите» 40x40x10 см, но без феррита и в связи с этим более легкой с к.п.д., равным 100°/ и со структурой поля вблизи самой антенны в плоскостях Е и Н того же вида, чт и у антенны с ферритом (рис.18). Эта антенна объединяет в себе собственно а* тенну, резонатор, симметрирующее устройство, питаемое 50-омным коаксиальны кабелем. Входные сопротивления из-за изменения формы раскрыва антенны н< сколько изменились. Энергетика антенны значительно улучшилась, отдаваема УКВ генератором мощность существенно снизилась (см. нижнюю часть таблиц! 1) и равна мощности излучаемой антенной без феррита, так как потерь в это антенне нет. Резкое различие в расчетном значении входного сопротивления обей антенн для сухого фунта от остальных случаев, приведенных в таблице 1, связан с отсутствием пленочной влаги на частицах сухого фунта, взятого в расчет.

К.н.д. шелевых антенн с ферритом и без феррита во всех случаях, относ5 1цихся к рис.18, соответствуют соотношению

к.н.д.<-р--л-*4-

0.5 0.5

Экспериментальное исследование антенны с гантелеобрдзной щелью бе феррита на модели 30 см диапазона волн (1000 МГц) были выполнены-еще 1976 году. Они показали, что антенны вида, приведенного на рис.16 на песчано! фунте со средней объемной влажностью, равной 17% (е'=9.5; е"=0.4; 0=11 дБ/м имеет относительную полосу пропускания частот, равную 55%. и входное сопрс тивление 75 Ом под соответствующий высокочастотный коаксиальный кабел (рис.20). Широкое окно прозрачности антенны показано на рис.21. Диафамм направленности в фунте в Е и Н - плоскостях на частотах порядка 800 МГц 1200 МГц приведены на рис.22-25. Эти частоты приблизительно соответствуй середине левой половины окна прозрачности и середине правой половины окн прозрачности (рис.21).

Па рис.22-25 видны некоторые искажения диафамм направленности, вь званные конечными размерами плоского металлического фланца исследуемой ш

теины. Как видно, применяемые в МФТИ (целевые антенны имеют весьма широкую полосу частот.

Исследование проводилось с помощью специального объемного измерительного устройства, сконструированного автором данного доклада. Оно предназначалось для снятия диаграмм направленности и нахождения полосы пропускаемых частот на моделях антенн, расположенных на поверхности влажного грунта [40]. До настоящего времени аналогов этому устройству в специальной технической литературе описано не было.

Устройство представляет собой короб в виде половины цилиндра, занолнен-ш>1Й влажным песком. Исследуемая антенна помещалась в середине плоской стенки полуцилиндра (рис.26), а вспомогательная антенна с помощью поворотного рычага перемещалась вблизи поверхности выпуклой стенки полуцилиндра. Радиус этого полуцилиндрического короба - г обеспечивает снятие диаграмм излучения

л

антенн в дальней зоне в соответствии с соотношением г > 21щ / ХД (рис.27), где 1щ

- длина щели антенны, Хд - длина волны во влажном песке, заполняющем короб. В соответствии с указанными выше электрическими параметрами влажного песка Яд да Я-о / л/е7 = 30/^95, или Хд 9.7 см, 1щ12 см. Отсюда г > 30 см, что соответствует радиусу рассматриваемого короба.

При измерении входного сопротивления исследуемой антенны, последняя смещалась от середины плоской боковой стенки измерительного устройства к краю этой стенки (рис.28) с тем, чтобы волны, отраженные от выпуклой боковой стенки короба, не возвращались бы обратно к исследуемой антенне.

Поверхностная волна в щели, скорость распространения этой волны и деление мощности на ' границе раздела сред. Пространственная развязка между

антеннами. Скорость распространения волны вдоль границы раздела сред с и

а'2 меньше скорости света и соответствует замедлению в среде со значением диэлектрической проницаемости Ещ^. При этом само замедление равно л/Ещ^ , где

Поле Н в продольной плоскости симметрии щели показано на рис.29. Видно, что в щели вектор Н наклонен и поэтому вектор Умова-Пойнтинга П направлен под утлом вниз в среду с большим с'. Такое свойство имеет поверхностная волна как в щели, так и вблизи антенны за пределами ее «крыльев». От любого проводника с электрическим током, расположенного вблизи или на самой границе раздела сред также исходит поверхностная волна (рис.30).

Можно показать, что для любых щелевых и вибраторных антенн с двусторонним излучением, расположенных непосредственно на границе раздела сред, для всех частот коэффициент направленного действия (КНД) в направлении, перпендикулярном границе раздела сред, делится с преимуществом в пользу среды с

Sí-

Pac. 2 9

Pac. 30

-30 -35

so

-45 -50

V

ч

\

\

X

4 ¿7ел)

Рис. 32

Расчёт no лемме Лоренца;

-^epe^l

'-тере} ¿ +-3Kcnepi ментсмЬнь унаъения; . о-метод 8ект ори Ы потенциале

• перпендикулярно

^^ размеру „а"

sflt ^

п

L¿t Г

Vl = CVS i :20o С

/У

£г,Н2

v0

16

18 25 20 35 40 «У 50 -iTIfiB

В Рис.33 12

В-определяется только сЭбигом фаз и не за&исит ^ от амплитуды о страж, сигнала Рис.36 Л-опорное напряжение аг модулятора 84 генератора

--А- /

If An л A

I № A J

I У 1/ V

1 i 1 I

о 10° 30° 50° 70°

Рис. 35

( >3/2

большим с' в пропорции КНД2/КНД1 =1 с'2 /в| I [66, с.25-26]. При

(е2 ^ С1 ) = ^ для сУхого грунта КПД т/КНД 1 =8 и естественная развязка верх-низ

цля такой антенны из-за наличия границы раздела сред равна 9 дБ.

Экранированная сверху щелевая антенна с металлическими «крыльями» (рис.16), расположенными на границе раздела сред между воздухом и средой с е'=4, за счет экрана, «крыльев» и естественного влияния границы раздела след имеет развязку верх-низ, равную 16 дБ. '

Так как такую развязку имеет каждая из двух антенн локатора, расположенных па поверхности фунта, то даже на сухом фунте, пространственная развязка между антеннами при минимальном разнесении их в плоскости вектора Н .будет не менее 32 дБ, а на сильно увлажненном глинистом .грунте, она может доходить цо 60 дБ и более. Это относится как к антеннам с ферритом, так и к антеннам без феррита.

Возникновение ложных противотоков в широкой щели и их устранение. Если поперек раскрыва щели располагается не менее трех рядов элементарных тлощадок ЛЯ^, то из-за взаимного влияния токов, текущих по поверхности этих »лементарных площадок, могут возникнуть противотоки. В соответствии с рекомендациями А.Н. Тихонова и ВЛ Арсенина (изложенными в книге «Методы ре-иення некорректных задач». М.: «Наука». 1979. 288с.), в этом случае следует про-юдить регуляризацию по Тихонову. Нами для этих же целей был успешно примени и другой способ [92]. Противотоки означают появление дополнительной осцилляции поверхностного магнитного тока в щели, или, например, на раскрыве эупорной антенны. Эта осцилляция не влияет на интефальные характеристики штенны, такие как диафамма направленности, входное сопротивление, напряже-ше между противолежащими краями щели или рупора, но приводит к появлению «¡которых искажений в распределении электрических токов, текущих по метал-шчсским частям щелевой или рупорной антенны, что не всегда желательно с точен зрения наглядности расчетных результатов. Оказалось, что это явление исчеза-гг, если исследуемая среда хорошо поглощает радиоволны, так что во многих за-(ачах, связанных с зондированием влажных фунтов и других влажных сред, осо->енно в дециметровом и сантиметровом диапазонах, для усфанения противото-:ов было достаточно учесть объемную проводимость а См/м этих сред.

Прямоугольный волновод с фланцем на границе раздела сред позволяет в гринцине по амплитуде и фазе коэффициента отражения находить с' и е" среды, к [лоской поверхности которой приложен раскрыв волновода. Это может бать, на-[ример, поверхность влажного фунта. Эта задача решена методом векторных по-енциалов в работах [30, 35, 49]. Однако при этом оказалось, что искомая величи-(а е" так резко меняется при малейшем изменении фаза коэффициента отражения, то метод оказывается практически непригодным для использования. Поэтому пе->ешли к двум волноводам (рис.31). Воспользуемся известными из указанных вы-зе работ значениями коэффициента прохождения волны типа Ню из раскрыва

■¿а

волновода в среду с заданными е' и е". Далее, с помощью леммы Лоренца найдем величину прямого прохождения поля из одного волновода в другой для случая, когда общий фланец с раскрывами обоих волноводов расположен на сухом песчаном грунте с е = 4. В самих волноводах поле описывалось в работе [30] с помощью «продольных» волн, а в работах [35, 49] с помощью «поперечных» ТЕ и ТМ волн (см. [1,2,4,5]).

Применение леммы Лоренца в задачах на прохождение поля [66 с.30-38]. В отличие от метода векторных потенциалов, лемма Лоренца не «умеет» учитывать взаимное влияние всех элементов АЗ^ между собой в пределах некоторой разграничительной поверхности взаимодействия 8в:), а учитывает только нормальную составляющую «взаимодействия» между основным Е, Н и вспомогательным Е', Н' полями в соответствии г, выражением для леммы Лоренца на й | или на отверстии

8у поверхности (рис.31).

Как показали эксперименты, развязка между двумя волноводами с раскрывами на общем металлическом фланце, разнесенными друг от друга в плоскости вектора Н на расстояние порядка половины длины волны в воздухе, даже при сравнительно малом е среды, близком к 4, превышает 35 дБ (рис.32). Этого достаточно для того, чтобы не учитывать их взаимное влияние и в то же время соответствует обычной практике взаимного расположения антенн георадиолокатора (рис.17) на поверхности исследуемой среды, а именно разнесению их в плоскости вектора II.

На рис.32 приведена кривая и точки расчетные и экспериментальные, иллюстрирующие связь между волноводами в зависимости от расстояния между раскрывами волноводов в сантиметрах для волны в воздухе = 3 см. Видно, что экспериментальные точки, а также точки, расчитанные по методу векторного потенциала. кривая и точки, найденные с помощью леммы Лоренца двумя разными способами, дополняют друг друга и доказывают правильность всех примененных методов расчета.

Расчет по лемме Лоренца в соответствии с первым способом относится к основному полю Е, Н, прошедшему в объем из волновода I [30, 35, 49] и вспомогательному полю Е', 1Т, прошедшему в объем Уо из волновода II. Следуя этому способу расчета, проведем плоскость «взаимодействия» полей Е, Н и Е', Н' Бвз, разделяющую объем на две части, перпендикулярно к фланцу посередине между волноводами I и II (см. на рис.31). Рассмотрим основное поле Е, Н, излучаемое I волноводом, прошедшее через границу раздела сред в соответствии с данными работ [30, 35, 49] и падающее на поверхность Аналогично поступим со вторым волноводом. Зададимся на его входе полем Е', Н', идущим от Бз к рас-крыву этого волновода Бд. Так как волноводы I и II одинаковые, то, очевидно, что поле Е', Н' в той же пропорции, как и поле Е, Н, разделится на границе раздела сред 8на поле отраженное и поле прошедшее к 8_|_. В силу симметрии задачи

относительно если мы примем, что поля Е и Е' совпадают на но величине и направлению во всех точках, то магнитные поля на Б^ будут также равны, но противоположны по знаку Н'=-Н тоже во всех точках. Следовательно, в приведенном ниже выражении первое слагаемое под интегралом изменит свой знак и в результате получим

551 я 1 Таким образом, нам следует провести только расчет поля Е, Н на в^от первого волновода.

Поле, прошедшее во второй волновод, найдем теперь по лемме Лоренца =0, так как в объеме, ограниченном поверхностями 8_[_ и Эз, нет источников, ни поля Е, Н, ни поля Е', Н'. Таким образом,

| |[Е,Н'] -[Ё',н] «К = - ] . Рассмотрев конкретное поле волны Н]д во Зз1" "3

втором волноводе, которое только и сможет дойти от раскрыва Бд до сечения 83 (все высшие типы волн загаснут на этом пути), найдем, учитывая косннусоидаль-ный характер распределения полей Е, Н и Е', Н' в волноводе II, что

J =Еискомое-~^ (рис.31). Отсюда ehcks3 = ^- Í [е'!1]п хds' пс1руд"о

S3

2W

S i

показать (рис.31), что J [Ё,Й] -dS <2 lim j jÉ|-jujeos(r,ñj_)dS, где при г—>co sx ni r->coS x

|É|~-, Ih|~-, S|~ r^ и cos(r,ñj\~-, Таким образом видно, что интеграл на Si 1 1 г 1 1 г v ' г

сходится, так как подынтегральная функция стремится к 0 быстрее, чем 1/г . При конкретном учете зон Френеля на Sj_ можно наблюдать, как добавление этих зон приводит к «закручиванию» ЕИСк в спираль типа «спирали Корню», что позволяет приближенно, но дла практики достаточно точно найти центр этой спирали, соответствующий бесконечной Sj_.

Во втором способе расчета совместим SB3 с плоскостью фланца и перекроем этой плоскостью S'M отверстие sjj волновода II (рис.31). Так как структура поля в раскрмве II известна из работ [30, 35, 49], то остается только учесть «нормальное» взаимодействие полей обоих волноводов I и II на отверстии Sg . При этом очевидно, что на Sq автоматически поле Е от первого волновода равно нулю и формула

для расчета имеет вид

с -----f ÎEMll dS, где H- значение гюля от сол-

a-b Jnl Jn

Ь0

повода I с учетом влияния высших типов волн [30, 35, 49] в месте расположения отверстия Sq , а поле Е'- значение поля волновода II на отверстии s|J.

В обоих случаях влиянием поля в выходном отверстии соседнего волновода на структуру поля данного волновода пренебрегаем, так как связь меэкду ними слабая, развязка больше 35 дБ. Результаты расчетов представлены на рис.32.

Возможность определения влажности грунта с помощью щелевых антенн по всей глубине пахотного горизонта и определения пористости грунта на значительных глубинах. Для этого на конце дюймовой трубы следует прорезать две щели, на некотором расстоянии друг от друга. К одной из щелей изнутри присоединить излучающий резонатор с диодом Гана, а другой резонатор с СВЧ - детектором присоединить изнутри ко второй щели (рис.31). Для щелей, перпендикулярных оси трубы и разнесенных в плоскости вектора Е, получим расчетный график вида (рис.33), заимствованный из [66, с.24, рис.3.5]. Он показывает возможность определения объемной влажности р % в зависимости от ослабления принимаемого сигнала |Т] дБ. Там же показана зависимость от пористости «п», что указывает на принципиальную возможность измерения и этой величины.

Воспользовавшись специальным буром нужного диаметра и пробурив в грунте скважину глубиной 1.5 метра, опустим туда описываемый двухщелевой датчик и получим возможность определения влажности грунта на различных глубинах в пределах скважины. Это позволит определить полный влагозапас во всем пахотном горизонте, а для строителей при глубинах скважины до 15 м даст возможность оценить реальную несущую способность грунта в данном месте.

2.3. РАСЧЕТ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛА, ОТРАЖЕННОГО ОТ ИСКОМОГО ОБЪЕКТА

Применение леммы Лоренца в задачах на отражение. Лемма Лоренца -формальное соотношение для комплексных амплитуд - в интегральной форме обычно содержит вне заданного объема V все источники основного поля Е, И, например, в виде распределенных в пространстве объемных плотностей электрических и магнитных токов, В заданном объеме V остается единственный источник вспомогательного поля £'. Н\ который представляет собой, например, небольшой участок плоской однородной волны, заданной в точке наблюдения M на некоторой площадке ASM, скажем, квадратной формы с линейными размерами axa. В этом случае в самом общем виде

Е£р=ТТ J {iÊ'.H]ll-[Ê,H']n}dS.

¿'А с

лотр

Из этого выражения были получены расчетные формулы [44, 66 с.38-15, 101 с.61-66] для сигналов, рассеянных назад, в направлении к месту расположения радиолокатора, телом сложной формы.

Под поверхностью взаимодействия полей Е, Н и Е', Н' подразумевалась отражающая поверхность тела 8ОТр, от которой расходится рассеянное поле Е, II и которая для вспомогательного поля Е', II' считается прозрачной.

При этом во всех случаях применения леммы Лоренца поляризация искомого поля, совпадает с поляризацией вспомогательного поля, расположенного в точке наблюдения М. Это во-первых. Во-вторых, из поля, рассеянного рассматриваемым телом во все стороны, лемма Лоренца позволяет найти только ту составляющую переизлученного поля, которая приходит в точку наблюдения М. Это существенно экономит время вычислений.

Для проведения расчетов вводилась система плоскостей, ортогональных радиус-вектору Г], проведенному в направлении ближайшей точки тела. Плоскости

отстояли друг от друга на расстояниях Аг=ХЛ 6 (рис.34). Они разбили часть отражающей поверхности тела на отдельные участки этой поверхности, меньшие, чем участки, соответствующие зонам Френеля для поля обратного рассеяния. Это гарантирует правильный и экономный учет всех зон Френеля.

Более детально поле в точке М (рпс.34) можно представить в виде суммы полей от отдельных полосок шириной /(16-5т(<р;)) и длинной 1т участка 8;, отражающей поверхности некоторого тела:

е-j2kr,

рм 2 -j2kq f

EOMTP=-^-Z(|®-[rE(<Pi)cos2Vi+rH(ii)sin2Vi

(m)

где axa - размер вспомогательной площадки с полем Е', II' в виде плоского источника Гюйгенса в точке М, г; - расстояние от точки M до точки О; (рис.34), <pj-

угол падения, >|/j - угол между ориентацией вектора ЕнЕ'и плоскостью падения, Г}? - коэффициент отражения поля Е, ориентированного в плоскости падения, а T}j- коэффициент отражения поля Е, ориентированного в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

Было вычислено суммарное действие этих зон при различном угловом положении точки наблюдения M относительно рассматриваемого тела. Так, если тело в форме параллелепипеда скрыто в грунте, а точка наблюдения перемещается в горизонтальной плоскости по окружности относительно центра тела, то диаграмма

рассеяния для величины + имеет вид (рис.35) при этом эффективная площадь рассеятм тела сг^ может быть представлена следующим образом:

С-сигнал от

соседнего

тоннеля.

2 3

Рис. АО

Рис. Ц i

1-сигнал прямого прохождения.

2-сигнал от сухих трещин, ■3-сигн.отобёодненных трещин,

граница разлома.

гМ(ГЕ,ГнН/*?

а4

ЕМ ^отр

Ем 2

где коэффициенты Гр и Гд для металлического

ела равны Гр = Гд = -1, что соответствует результатам, приведенным на рис.35, азмеры параллелепипеда составляли в плане 8Хх4Х, а высота его, которая не оп-еделяет характер интерференции, составляла 10Х.

Видны более узкие лепестки, определяемые длинной боковой стороной па-аллелепипеда, и более широкие лепестки, определяемые короткой боковой сторо-ой, и интерференция от обеих боковых поверхностей в средней части диаграммы ассеяния.

Применение принципа стационарной фазы в задачах па отражение, Каче-гвешю такую же диаграмму рассеяния ог рассмотренного параллелепипеда зис.35) или любого другого тела можно получить иным способом.

Рассмотрим некоторую плоскую действующую поверхность Яд, заменяю-[ую собой действие всех зон Френеля при данном положении тела в пространст-г. Здесь тоже применяется сечение тела некоторой вспомогательной плоскостью.

Возьмем две плоскости, перпендикулярные радиусу-вектору проведен-

ому в направлении ближайшей точки тела, расстояние между которыми всегда авно Дг1 = X/4л. Пусть вторая плоскость коснется поверхности тела, а первая

ри этом «отсечет» от тела ломтик толщиной X / 4я. В связи с этим на теле поя-чтея плоский участок поверхности площади Бд, который и будет определять ве-ичину поля, рассеянного этим телом в точку наблюдения [69, 74]. При этом

■м =4тй?1/А.2.

Меняя ракурс тела, получим огибающую лепестков диаграммы рассеяния осматриваемого тела, например вида, приведенного на рис.35 для параллелепи-гда, и это будет соответствовать принципу стационарной фазы. Приближенно тзбить огибающую на отдельные лепестки линиями нулевого уровня для тела, меющего линейный размер в плоскости диаграммы, равный «а», может помочь ункция, определяющая угловое распределение нулей поля, вида / х, где

= 4яа-5т(ф)/А., которая абсолютно верна для прямоугольной пластины, ориен-1рованной перпендикулярно плоскости диаграммы. Для прямоугольной пласти-ы метод с использованием Бд, который можно назвать «методом сечений», был эличественно обоснован в работе [74 с. 174], там же дана оценка необходимого тела точек для достаточно точного построения каждого лепестка диаграммы рас-зшия. Обоснование расчета обратного рассеивания методом сечений для дву-юнного угла дано в [71 с. 63].

При отражении от двух, ярко выраженных, частей тела, рассеивающих при-ерно с одинаковой интенсивностью и разнесенных на расстояние «а» друг от чуга может помочь разбить диаграмму рассеяния на лепестки с помощью линий,

определяющих угловое положение нулей поля, функция вида eos^x), где х осот ветствует указанному выше выражению.

Во всех сомнительных случаях следует переходить от 5>д к золам Френел: для поля обратного рассеяния [44, 66 с.38-45, 101 с. 61-66] и, учитывая эти зоны находить правильное значение поля в точке наблюдения М (рис.34).

При двухпозиционной радиолокации для учета разноса антенн во всех рас

четах Бд, вместо Arj - XI 4л, следует подставлять величшгу Ar* = X / (4 я • cos(p))

где 2р - угол, видимый из точки расположения цели между передающей и прием ной антеннами георадиолокатора.

2.4. РАДИОЛОКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ В МАТЕРИАЛЬНЫХ СРЕДАМ ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ РАДИОПРОСВЕЧИВАНИИ

Георадиолокация, как теперь становится очевидным, развивалась в России \ США совершенно разными путями. Начало исследования и разработка по геора-даолокации на научной основе было положено коллективом антенной лаборатории нашей кафедры в конце 1958г. Уже в 1959г. весь год проводились исследования с первым радиоволновым георадиолокатором со щелевыми антеннами, экранированными сверху и имеющими внешние «крылья», на волнах порядка 2м i воздухе. Почти с самого начала было ясно, что за счет направленного излучения в грунт и усиливающего этот эффект влияния границы раздела сред можно обнаруживать неоднородности в грунте на глубинах, соизмеримых с рабочей длиной волны в воздухе. Было очевидно, что единственная для нас возможность это применение двухпозиционной схемы локатора с двумя антеннами, разнесенными в плоскости вектора И, Это давало наибольшую пространственную развязку мсвд> ними и устраняло самый мощный, маскирующий другие сигналы от искомых не-однородностей, сиг нал, отраженный от границы раздела сред.

Совсем иначе складывались обстоятельства, связанные с созданием первого гсорадиолокатора в 1960г. в США Дж. Куком (г. Даллас, штат Техас). Учитывая, что самой радиопрозрачной средой на земной поверхности являются лед и снег, он разработал первый георадиолокатор для обнаружения неоднородиостей именно в этих средах. Бьгла использована элементная база обычной радиолокации. Имелось временное разделение излученного и отраженного от искомой неоднородности сигналов. В этих условиях не требовалась двухпозиционная схема локатора. Имелась одна приемо-передающая антенна. Сигнал, отраженный от поверхности земли, всегда попадал в антенну и, поэтому, не было смысла располагать ее непосредственно на самой поверхности земли. Она бьгла припод1гята над земной поверхностью и помещалась в контейнер, снабженный небольшими колесами для облегчения перемещения контейнера.

Возможности георадиолокапюров, ралработаннь1х в МФТИ.

Радиоволиовые георадиолокаторы. Георадиолокация близка к радиодефектоскопии и поэтому в первом георадиолокаторе МФТИ был использован широко

трименяемый в радиодсфектоскопии радиоволновой мегод (см. «Приборы для не-тазрушающсго контроля материалов и изделий», с. 205. Глава 6. «Радиоволновые методы и средства контроля», справочник под ред. В.В. Клюева. М.: Машино-;троение. 1986, Т.1. 488 е.). Прибор содержал две шелевые антенны, предложение автором данного доклада, УКВ генератор метровых волн типа Г4-31, модулированный внутренним модулятором с частотой 1000 Гц, присоединенный к перепотей антенне, СВЧ диод и НЧ усилитель типа 28-И со стрелочным индикато->ом, присоединенные к приемной антенне. Каждая антенна представляла собой фланец с размерами 900x800 мм со щелыо шириной 40 мм, питаемой четверть-юлновым короткозамюгутым коробом той же ширины и высотой 450 мм. Вес ка-кдой антенны составлял около 5 кг. У основания короба в средней части щели тодсоединялся питающий коаксиальный ВЧ кабель с волновым сопротивлением '5 Ом. Антенны на поверхности грунта всегда разносились в плоскости вектора И, по обеспечивало наибольшее значение пространственной развязки между ними. Сначала они перемещались будучи соединенными гибкими тягами, а затем были объединены в один жесткий блок (рис. 17).

Предельную дальность действия прибора определяла именно пространст-¡енная развязка между антеннами, которая менялась от 30 дБ на маловлажном тесчаном грунте до 40 дБ при средней влажности того же грунта, и составляла на дате волны около 1.5 м (Го = 200 МГц) приблизительно те же полтора метра, на-тример, при откачивании воды из полузатопленной полости. Изменение уровня юды прослеживалось именно до глубины 1.5 м (1965 г.).

Легко отслеживался в весенний период уровень фунтовых вод. Обнаружи-1ались металлические предметы диаметром свыше 40 см и сдвоенные бревна, за-сопанные рядом, диаметром около 20 см и длиной около 1 м каждое, на глубине жоло 1 м.

Вторым был создан также радиополнопой локатор на базе переделанного »адиовысотомера малых высот типа РВ-2, перестроенного на частоты порядка 400 ЛГц (>-,г~75 см), с двумя отдельными шест и щелевым и антеннами, каждая в виде 1ыжи шириной 20 см и длинной 1.2 м. Питающие короба представляли собой тон-ще карманы, положенные боком на верхнюю поверхность «лыжи». Для уменыне-1ия размеров вдвое, карманы были заполнены гетинаксом толщиной 3 мм с е*м4-5. Саждая щель питалась своим коаксиальным кабелем. Все кабели были одной дли-гы и образовывали так называемую «кабельную линзу», позволяющую преобра-овать поле, излучаемое выходом ВЧ генератора, в плоскую волну, излучаемую пестью синфазными щелями. Одинаковой конструкции приемная и передающая тнтенны, каждая весом в 4 кг, разносились в плоскости вектора II, образуя жестко «единенные между собой две лыжи, снабженные с обоих концов приподнятыми юсками для облегчения их перемещения по траве, снегу и неровностям поверхно-ти. Предельная глубина обнаружения тех же предметов, которые упоминались 1Ыше, упала до 50-60 см, чем был подтвержден вывод, полупенный нами ранее на «новании измерений электрических параметров фунта о необходимости увели-[ении длины волны для достижения больших глубин зондирования. Только после

этого было решено публиковать получаемые данные по электрическим параметрам грунтов (см. раздел 1.1. данного доклада).

Следующим был изготовлен амплитудно-фазовый локатор, позволяющим уже определять расстояние до отражающих подземной поверхности. Расстояние определялось по деформации эллипса, наблюдавшегося на экране осциллографа (рис. 36). Л - опорное напряжение от модулятора ВЧ генератора, В - определяется только сдвигом фазы отраженного сигнала и не зависит от его амплитуды. Использовались [целевые антенны от радиоволнового i-еорадиолокатора.

Для получения дополнительной глубины обнаружения подземных объектов сверх той, которую обеспечивала пространственная развязка между близко расположенными антеннами необходимо было от монохроматического сигнала переходить к спектру частот, а это требовало расширения спектра частот пропускаемых антенной. Первая широкополосная антенна была разработана на основе отрезка Н-образного волновода, питающего щель Н-образной формы и закороченного со стороны удаленной от щели. Антенна имела габариты: фланец размерами 900x700 мм и высоту 850 мм. Питание осуществлялось 75-омным коаксиальным ВЧ кабелем типа РК-2.

4M георадиолокатор со ступенчатым переключением 20 частот был изготовлен и испытан с только что описанными широкополосными антеннами е 1968 г. Он имел стабилизацию амплитуды ВЧ колебаний, существенно защищающую геолокатор от появления сколько-нибудь заметной амплитудной модуляции. Диапазон частот'составлял от 120 до 167.5 МГц (девиация частоты 47.5 МГц). Частота модуляции составляла всего от 0.05 Гц до 1 Гц, потому что в коммутаторе использовались электромагнитные реле. Дополнительная развязка, полученная на этом локаторе, составила 20-25 дБ. Частота биений для одиночного объекта Ff-, = — - Fm , где Fm-частота модуляции, Af -девиация частоты, Н-

v

глубина до объекта, v- скорость распространения волны в грунте. О разделенш сигналов от нескольких объектов говорил, не приходилось.

Несмотря на свое несовершенство этот георадиолокатор показал трудност! реализации 4M в георадиолокации.

В 1984 г. в РЖ «За рубежом» (Ка 11, с. 48) была описана попытка одной и: ведущих фирм в течение ряда лет создать совремештую специализированную дл; таких локаторов элементную базу с целью выяснения их практических возможностей на сегодняшний день. Созданный этой фирмой 4M геолокатор имел динами ческий диапазон всего 60 дБ. Это не идет ни в какое сравнение со 100 и более де цибелами современных импульсных георадиолокаторов.

Первый импульсный георадиолокатор со щелевыми антеннами был создан i МФТИ в 1967 г. на основе исследований, выполненных в нашей стране Е.Г. Мо мотом, автором синхронного и асинхронного радиоприема слабых сигналов (см Е.Г. Момот "Проблемы и техника синхронного радиоприема". М: Наука, 1961 г 172 е.). В приемнике локатора имелся второй маломощный ВЧ генератор на час тоту очень близкую к несущей частоте передатчика, постоянного уровня сигнал

ЗУ

юдкачка от которог о подавался па детектор приемника вместе со слабым принимаемым сигналом, отраженным от объекта. Подкачка выводила рабочую точку детектора на участок кривой детектирования с приличной крутизной, что увеличи->ало на несколько порядков чувствительность приемника и практически доводило :е до уровня чувствительности супергетеродинного приемника.

Так как частота подкачки не соответствовала частоте передатчика и могла 1риближаться или отдаляться от частоты передатчика, например, из-за тепловых /ходов, то частота их биений могла составлять сотни килогерц. Поэтому после-1ующий усилитель сигналов представлял собой типичный телевизионный видеоусилитель.

На видеоэкране приемника наблюдалась огибающая импульса, принятого от енератора за счет прямого прохождения п приемную антенну, имеющая форму, >лизкую к гауссовой кривой, заполненной легким подсветом от сигнала разност-юй частоты и поэтому более светлой окраски, чем не засвеченный экран вне им-1ульса подкачки. Импульс, отраженный от объекта в грунте, располагался на оги-жющей принимаемого импульса от генератора, был меньше по амплитуде и коро-ге по времени, но сохранял форму гауссовой кривой. При удалении в сторону от »бъекта маленький импульс скользил по огибающей большого импульса и умень-цался по амплитуде, остапаясь ровно на половину погруженным в большой им-1ульс.

Из-за нестабильности во времени частот передатчика и маломощного ВЧ ге-гератора подкачки в пределах каждого импульса большого и малого на видеоэк-)ане была своя, невидимая глазу, частота биений. Поэтому хорошо была видна раница между импульсами. Большой импульс имел видимую на экране протяженность около 50 не. Локатор позволял практически удвоить предельную глуби-гу обнаружения объектов до 3 м.

' Испытывались так же импульсные локаторы со стробированием импульсов, цгительность которых была порядка 50 не. При этом спектр частот локатора со-тавлял 25 МГц.

Дальнейшие антенные исследования связаны с разработкой малогабаритных целевых антенн, описанных в разделе 2.2. данного доклада. К этому времени ста-га доступна новая полупроводниковая элементная база. И в начале 80-х годов бы-га начата разработка импульсного георадиолокатора совместного е СКТБ ЦНИИС Линтрансстроя.

Разработка МФТИ, элементная база, конструкторская проработка и изготов-гение СКТБ и завода ЦНИИС. Наладка МФТИ.

Тоннельный геоуадиолокатор для опережающего контроля состояния гор-Iого массива при работе горнопроходческих комбайнов на БАМе типа «Робине» и :Вирт», а также в случаях применения буровых рам типа «Тамрок» и «Фурукава».

В локаторе было применено ударное возбуждение антенны с малой доброт-юстыо, настроенной на lo = 1.8 м, в качестве излучающего колебательного конура. Скачок напряжения порядка 400 В подавался на щелевую антенну с ферри-ом (рис. 16). Имелась экспоненциальная АРУ в стробоскопическом времени. Сигнал снимался с экрана индикатора или с аналогового магнитофона. Проводи-

лась корреляция сигналов в соседних положениях антенною блока и пространственно .- временная фокусировка вдоль линии движения антенного блока по поверхности тоннеля или голове забоя. Длительность импульса на экране (рис.37) 1С не. Питание локатора от сети 220 В и от электросети в тоннеле 36 В. Локатор различает сухие трещины в граните от обводненных но знаку коэффициента отражения. Дальность действия 10-12 м в цельном граните.

Тоннельный гсорадиолока юр с цифровой записью сигнала. Добавлено АЦГ и цифровой магнитофон. Типичный вид сигнала (рис. 38). Видно, что реальное разрешение по дальности вблизи локатора на расстоянии несколько метров порядка 50 см. Дальность действия в промороженном грунте (метро г. Днепропетровск' также около 10-12 м (рис. 39).

Реальная дальность действия георадиолокатора в естественных условиях Исследование [67] показало, что коррелированные сигналы, отраженные от мелких неоднородностей в грунте с поглощением, спадают во времени не кат-

I схр(-«Л), а как ехр(-а-1). Это означает, что относительно полезного сигнала коррелированные помехи накапливаются с расстоянием и полезный сигнал тонет в этих помехах. Для песчано-глиннстого грунта при 15% объемной влажности получена экспериментальная зависимость объекта от расстояния, из которой

следует, что объект с Эд = 1 м2 перестанет различаться на фоне коррелированны?

помех на расстоянии 4 м (рис. 40).

Аналогичные данные получены для трещиноватых гранитов (рис. 41). Видно, что на границе обводненного разлома отраженные сип талы исчезают на протяжении всего нескольких метров.

Таким образом, без специальной обработки дальность действия георадиолокатора ограничивается рассеянием поля на неоднородностях исследуемой среды. В однородных средах с малыми потерями (цельный гранит, промороженный грунт' дальность действия георадиолокатора метрового диапазона составляет 10-12 метров.

Борьба с рассеянием заключается в повышении эффективности корреляционной обработки сигналов и пространственно-временной фокусировке по всем) массиву измерений проведенных в месте расположения искомого объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. С помощью специально разработанных и изготовленных стендов на волны 0.816; 1.9; 3.17; 9.975; 30; 90 и 226 см методом «короткого замыкания» были найдены электрические параметры отдельно песчаного и отдельно глинистого грунтов при температуре 18-20°С для различных значений объемной влажности от 1-2% до предельного влагонасыщения данного грунта.

Аналогично, на тех же стендах и при тех же условиях были найдены электрические параметры красного кирпича, затвердевшего цементного камня и древесины сосны.

2. С помощью соотношений Беренцвейга и Дебая, а также, используя из-естную формулу для ионной проводимости слабодиссоциированных элеюроли-ов, были рассчитаны достаточно точные электрические параметры ряда песчано-гшнистых грунтов в диапазоне радиоволн от 5 мм до 5 км при объемной влажно-ги 10, 20, 30 и 37% и температуре грунта 2, 10, 18°С, что имеет важное значение ри проектировании георадиолокаторов для оценки дальности действия и разре-гающсй способности как по дальности, так и по линейным размерам в фасадной, бращенной к локатору плоскости объекта.

3. Разработаны специальные щелевые антенны с внешними и внутренними крыльями». Найдена структура поля этих антенн при их работе на плоской по-срхности исследуемой среды, найдено значение коэффициента направленного ейстаия и коэффициента полезного действия каждой антенны.

4. Две антенны объединены в один жесткий блок для двухпозиционной ра-иолокации. Найдена развязка между передающей и приемной антеннами с уче-эм влияния поверхностной волны в зависимости от их взаимной ориентации и асстояния между ними как при их расположении на общей плоской металличе-чой поверхности, так и при их расположении на плоской поверхности грунта или зрной породы.

5. Найдена развязка верх-низ, позволяющая оценить защищенность локато-а от мешающего действия людей и механизмов, перемещающихся вблизи антенн, акая защищенность особенно актуальна при работе в тоннеле или в закрытом смещении, а также при работе вблизи стен зданий и среди кустарников н деревь-

6. В диапазоне сантиметровых радиоволн имеется реальная возможность издания датчика объемной влажности песчано-глинистого грунта, показания косого не будут зависеть от содержания глины в грунте и от температуры и соле-ости почвенного раствора.

7. Детально разработан метод расчета щелевой антенны к георадиолокатору, асположенному на (или у) границы раздела сред, или для совокупности несколь-лх щелевых антенн на границе раздела сред, мало удаленных друг от друга, на-ример для определения влажности и пористости грунта, с использованием метода гкторных потенциалов, являющегося частым случаем метода интегро-яфференцналъных уравнений, позволяющего находить по возможности наиболее грого, с учетом взаимного влияния соседних, ближайших и удаленных элементов гкагорой замкнутой поверхности рассчитываемого объема, структуру поля в рас-эыве щелевой антенны и вблизи нее для задач, диаметр которых в настоящее эемя (при имеющейся в наличии вычислительной технике) не превосходит суще-гвенно длину волны в воздухе.

8. Для подобных же задач, диаметр которых превосходит длину волны в »духе, пользуясь тем, что при таких размерах уже можно приближенно отка-¡ться от учета взаимного влияния элементов поверхности друг на друга, решение юдует находить, используя лемму Лоренца, в том числе и при наличии границы »дела сред.

9. Лемма Лоренца позволяет построить решение для расчета обратного радиолокационного отражения, или рассеяния, радиоволны данной частоты от тела сложной формы в однородной изотропной среде с поглощением при однопозици-онной или днухпозиционной радиолокации.

10. В реальном грунте при наличии в нем случайным образом распределенных пеоднородностсй в отраженном сигнале имеют место коррелированные помехи. Именно они ограничивают дальность действия георадиолокатора, так как именно в них тонет полезный сигнал, отраженный от искомых объектов. Поэтому в песчано-глинистых грунтах или в трещиноватом граните дальность действия георадиолокатора, работающего в диапазоне метровых волн, составляет 1-4 м в зависимости от содержания глины и влаги.

В цельных гранитах и в промороженном грунте дальность действия георадиолокатора метрового диапазона волн может составлять 10-12 метров, что подтверждено экспериментальными исследованиями.

11. Рассмотренные радиоволновыс георадиолокаторы амплитудный и амплитудно-фазовый, ЧМ- георадиолокатор, георадиолокатор с асинхронным детектированием принимаемых сигналов, импульсные георадиолокаторы с ударным возбуждением передающей антенны малой добротности с управляемым усилением в стробоскопическом времени. ^

12. Достигнута расчетная разрешающая способность импульсного георадиолокатора с ударным возбуждением антенны малой добротности, настроенной на А-о -1 1.8 м, в качестве излучающего колебательного контура, равная «0.7 м в цельном граните и в почти сухом грунте и »0.5 м во влажном грунте.

ОСНОВНОЕ С ОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ

ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Лещанский Ю.И. Метод наименьших квадратов в приложении к решению задачи о прохождении воли через диафрагму в регулярном волноводе//Исследования но физике и радиотехнике/Тр. МФТИ, Оборонгиз. 1958, вып. 2. С.58-68.

2. Лещанский Ю.И. О прохождении волн через плоский стык двух регулярных ра-диоволноводов//Исслсдования по физике и радиотехнике/Тр. МФТИ, Оборонгиз. 1959, вып. 4. С.3-9.

3. Лещанский Ю.И., Анэнских В.М., Лебедева Г.Н. Электрические параметры песка и глины в диапазоне сантиметровых и дециметровых радиоволн//Исследования по физике и радиотехпикеЛГр. МФТИ, Оборонгиз. 1962, вып.10. С.49-57.

4. Лебедева Г.Н., Шевченко В.В., Лещанский Ю.И. Поле вблизи диафрагмы в регулярном волиоводе//Исследования по физике и радиотехнике/Тр. МФТИ, Оборонгиз. 1962, вып.8. С.94-108.

5. Шевченко В.В., Лебедева Г.П., Лещанский Ю.И. Поле вблизи сочленения двух волноводов с различными поперечными сечениями//Исслеловапия по физике и радиотехнике/Тр. МФТИ, Оборонгиз. 1962, вып.8.С.77-93.

4i

. Лещанский 10.И., Лебедева Г.Н. Исследование поглощения дециметровых и штиметровых радиоволн в грунте//Изв. высш. уч. завед., Радиофизика. 1968. .11, вып.2. С.205-208.

. Щелевая антенна/Лешанскии Ю.И., и др. (всего 14 человек)// A.c. №45 083, за-;гистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 20 янв.1969г. Лещанский Ю.И., Лебедепа Г.Н., Шумилин В.Д. Электрические параметры пес-зного и глинистого грунтов в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метро->1Х волн/Л 1зв. высш. уч. завед./Радиофизика. 1971. Т.14, вып.4. С.562-569.

Лещанский Ю.И. Расчет структуры электромагнитного поля в заданном сече-1И однородного участка волновода с помощью леммы Лоренца//Радиотехника и тектроника 1971, ч.2 /Тр. МФТИ. М„ 1973. С.149-156.

). Лещанский Ю.И. К оценке погрешности одного из методов сеток в связи с вы-1ром шага//Общ. и молекул. Физика/Тр. МФТИ. М., 1974, вып.5. С. 130-134. I. Лещанский Ю.И. Применение одного из методов сеток к решению внутренних внешних задач электродинамики//Общ. и молекул, физика / Тр. МФТИ. М., >74, вып.5. С.135-147.

!. Лещанский Ю.И. О применении одного из методов сеток к неоднородным сре-1м//Общ. и молекул, физика / Тр. МФТИ. М.,1975, вып.6. С.91-96. !. Лещанский Ю.И., Онигценко Л.А. Метод последовательных приближений в жмеиении к расчету неотражающих коиструкций//Общ. и молекул, физика /Тр. ФТИ. М.,1976, вып'8. С.34-41.

1. Жук В.М., Лещанский Ю.И., Чубипский Н.П. Дифракция плоской электромаг-П1юй волны па биконнческой и конической антеннах/Юбщ. и молекул, физика / 5. МФТИ. М.,1976, вып.8. С.54-62.

I. Жук В.М., Лещанский Ю.И., Чубинский Н.П. К вопросу о дифракции плоской юктромагнитной волны па рупорных ангенпах/Юбгц. и молекул, физика / Тр. ФТИ. М.,1976, вып.8. С.63-68.

>. Лещанский Ю.И., Мустафин Р.Х., Погодин Г.К. Применение метода сеток к дачам дифракции//Общ. и молекул, физика / Тр. МФТИ. М.,1976, вып.8. С.69-

'. Лещанский Ю.И. Вектор Умова-Пойтинга и вектор взаимодействия в электро-шамике//Общ. и молекул, физика/Тр. МФТИ. М.,1977, вып.9. С.53-58. Лещанский Ю.И., Мустафин Р.Х., Погодин Г.К. Решение задачи об излучении прямоугольного волновода с фланцем методом векторного потенцналаУ/Обтц. и шжул. физика/Тр. МФТИ. М.,1977, вып.9. С.39-47.

Лещанский Ю.И. Максимально возможная погрешность расчетов в зависимо-и от размеров сеток//Общ. и молекул, физика / Тр. МФТИ. М.,1977, вып.9. С.47-

Онищенко Л.А., Лещанский Ю.И. Номограмма для определения комплексной электрической проницаемости //МЭП СССР. Электронная техника /Серия I. кжтроника СВЧ. 1978, вып.8. С.70-72.

. Лещанский Ю.И., Онищенко Л.А. Определение электрических параметров ди-ектриков методами реактивных нагрузок // Общ. и молекул, физика / Тр. МФТИ, шгопрудный, 1978, вып. 10. С.81-84.

22.Лещанский Ю.И., Онищснко Л.Л., Шумилин К.С. Измерение электрически? параметров диэлектриков методом реактивной нагрузкк//МЭП СССР. Электрон ная техника /Серия I: Электроника СВЧ. 1978, вып.Ю, С.78-82

23. Лещанский Г().И., Онищенко Л.Л. Экспериментальная проверка метода изме рения электрических параметров диэлектриков в волноводе нестандартного сече ния//Общ. и молекул, физика! Тр. МФТИ. Долгопрудный, 1978, вып. 10. С.85-90.

24. Лещанский Ю.И., Онищенко Л.А., Шумилин К.С. Определение электрически? параметров диэлектриков в режимах бегущей волны и короткого замыкания//Общ и молекул, физика /Тр. МФТИ. Долгопрудный, 1978, выи.10. С.91-96,

25. Лещанский Ю.И., Шумилин К.С. Метод измерения электрических параметро! диэлектриков с помощью длинного короткозамкнутого волновода//Общ. и моле кул. физика/Тр. МФТИ. Долгопрудный, 1978, вып.Ю. С.97-100.

26. Лещанский Ю.И. К вопросу о максимально возможной погрешности расчета в зависимости от размеров ссток//Общ. и молекул, физика / Тр. МФТИ. Долго прудный, 1978, вып.Ю. С.101-102.

27. Елисеев О.В., Козлов В.Д., Лещанский Ю.И., Лопотовский Ю.А., Падей И.А Обнаружение локальных дефектов с переменными параметрами в сильно погло щающей диэлектрической срсде//АН СССР. Дефектоскопия. 1979, вып.4. С.22-29.

28. Лещанский Ю.И., Онищенко Л.А. Метод измерения усредненных по площадт образца электрических параметров периодически или статистически неоднородно то слоя//Вопросы радиоэлектроники/Серия «Обшетехническая.» 1979. вып.1. С.56 60.

29. Лещанский Ю.И, Ульянычев Н.В. Дисперсионные свойства грунтов в СВ1 диапазоне//Радиотехпика и электроника/ Тр. МФТИ. Долгопрудный, 1979. С.17 22.

30. Лещанский Ю.И., Мустафин Р.Х. Расчетные формулы для поля в прямоуголь ном волноводе с бесконечным фланцем на границе раздела срсд//Общ. и молекул физика/Тр. МФТИ. М. 1979, вып.11. С.90-95.

31. Лещанский Ю.И., Ульянычев Н.В. Расчет электрических параметров песчано глинистых грунтов на метровых-сантиметровых волнах//Изв. высш. уч. завед. Ра диофизика. 1980. Т.23, вып.5 С.529-532.

32. Лещанский Ю.И., Ульянычев Н.В. Расчет диэлектрических характсристш кирпича и цементного камня при переменной влажносто'/АН СССР. Дефектоско пия. 1980, вып.7. С.34-39.

33. Отраженное поле в прямоугольном волноводе с бесконечным флан цем/Лещанский Ю.И., Мустафин Р.Х.//МФТИ. Долгопрудный, 1980. 17с.: ил. Библиогр. 5 назв. Рус.-Деп. ВИНИТИ 12.06.80, №2624.

34. Щелевая антенна/ Лещанский Ю.И., Подшибякин Н.Г., Степанов Ю.С., Миро нов В.И., Круглое А.И. //А.с. №154836, зарегистрировано в Гос. реестре изобретс ний СССР 2 февр. 1981 г.

35.Лещанский Ю.И., Мустафин Р.Х., Шумилин К.С. Измерения электрически: параметров материалов с помощью открытого конца волновода с фланцем//МЭ1 СССР. Электронная техника /Серия I: Электроника СВЧ. 1981, вып.З (327). С.47 48.

6. Решение задачи о системе двух прямоугольных волноводов с общим флал-[см/лещанский Ю.И., Шумилин К.С. МФТИ.-М., 1981. 12с.:ил.-Библиоф.: 4 назв. "ус.-Дсп. ВИНИТИ 21.10.81 №5046.

7. Ленинский Ю.И., Ульянычев Н.В. Определение электрических параметров гочвы в естественных условиях в диапазоне 10-100 МГц //Радиофизические мето-:ы обработки сигналов /Тр. МФТИ. М., 1981. C.129-I33.

8. Лещанский Ю.И., Подшибякин Н.Г. Метод расчета поля антенны в среде с по-лощением//Радиофизические методы обработки сигналов / Тр. МФТИ. М., 1981. ;. 134-139.

9. Электрические параметры кирпича, цемента и древесины в диапазоне метро-ых-сантиметровых радиоволн/Лещанскин Ю.И., Лебедева Г.Н., Попова Н.Я., Ме-елкина Е.Д.//Редколлегия журнала Радиофизика. Горький, 1982. 7с. Ил.-¡иблиогр. 2 назв. Рус.-Деп. ВИНИТИ. №4772-82.

0. Лещанский Ю.И., Подшибякин Н.Г. Зависимость полосы пропускания щеле-ой антенны от электрических параметров среды//Радиофизические методы обра-отки сигналов: Междувед. сб./МФТИ. М., 1982. С.71-75.

1. Лещанский 10.И., Ульянычев Н.В. Расчет интегральной влажности слоя почвы о результатам радиофизических измсрений//Вопросы дифракции электромагнит-ых волн: Междувед. сб./МФТИ. М„ 1982. С.71-75.

2. Лещанский Ю.И., Мигннский C.B., Ульянычев Н.В. Расчет эффективной глу-ины отражения и собственного радиоизлучения для слоя почвыЛВопросы дивакцин электромагнитных волн: Междувед. сб./МФТИ. М., 1982. С.125-128.

3. Лещанский Ю.И. Рассеяние радиоволн телами сложной фор-[ы//Радиофизнческие методы обработки сигналов: Междувед. сб./МФТИ. М., 983. С.80-85.

4. Лещанский Ю.И. Метод исследования эффективности пленочных поглощаю-1их покрытий//Оптика твердого тела: Междувед. сб./МФТИ. М., 1983. С.172-184.

5. Лещанский И.Ю. Лещанский Ю.И. Метод расчета диаграмм рассеяния от рас-рыва приемной рупорной антенны//Т>адио(])изичсские методы обработки сиша-ов: Междувед. сб./МФТИ. M., \983. С.86-89.

6. Исследование отражений п пирамидальном рупоре/Лещанский Ю.И., Петрин 1.Б.//Труды III научной студенческой конференции факультета проблем физики и нергетики Московского физико-технического института. Москва, 3-7 апр., 984/МФТИ. М , 1984. 19-23: ил.-Библиоф.: 2 назв. Рус.-Деп. ВИНИТИ 07.02.84, [°680.

7. Расчет эффективности пленочных поглощающих покрытий на сфе-е/Лещанский Ю.И., Попова Н.Я.//Труды IX конференции молодых ученых Мос-овского физико-техническогч) инспгтута. Москва, 21 марта-7 arip., 1984/МФТИ. Î., 1984. 12-15: ил.-Библиогр.: 1 назв. Рус.-Деп. ВИНИТИ 28.08.84, №6030.

8. Лещанский Ю.И. Применение леммы Лоренца к некоторым задачам электро-инамикиУ/Дифракция и распространение электромагнитных волн: Между-сд.сб/МФТИ. М„ 1984. С.66-72.

49. Летцанский Ю.И., Ульянычев Н.В. Безэталопный электродинамический мето; определения влажности почв // НТОРЭС. XXXIX Всесоюзная научная сессия, по священная Дню радио. М. 1984. С. 83 (Москва).

50. Онищенко Л.А., Лещанский К).И., Ульянычев Н.В. Расчет сопротивления свя зи двух трубчатых вибраторов методом наведеных э.д.с.//Днфракция и распро страненис радиоволн: Межцувед. сб./МФТИ. М., 1985. С.64-67.

51. Лещанский Ю.И., ГТетрин А.Б. Двусторонняя щелевая антенна на границе раз дела сред//Дифракция и распространение радиоволн: Междувед. сб./МФТИ. М.

1985. С.60-63.

52. Исследование характеристик рассеяния плоских фигур/ Лещанский Ю.И., По пова Н.Я.//Труды XI конференции молодых ученых Московского физико технического института. Москва, 24 марта-5 аир., 1986./МФТИ.-М., 1986. 51-55 ил.-Библиогр.: 4 назв. Рус.-Деп. ВИНИТИ 08.08.86, №5698-15.

53. Щелевая антенна над бесконечным металлическим листом/ Лещанский Ю.И. Петрин А.Б./ГГруды XI конференции молодых ученых Московского физико технического института. Москва, 24 марта-5 апр., 1986./МФТИ.-М., 1986. 98-102 ил.-Библиогр.: 2 назв. Рус.-Деп. ВИНИТИ 08.08.86, №5698-В.

54. Мигинский С.В., Лещанский Ю.И., Погодин Г.К. Об электрических парамет рах смеси мапштодиэлектриков/Юбработка сигналов радиофизическими метода ми: Междувед.сб./МФТИ. М., 1986. С.20-24.

55. Лещанский Ю.И. Исследование материальных сред с помощью аи тенн//Обработка сигналов радиофизическими методами: Междувед.сб./МФТИ. М.

1986. С.120-127. '

56. О вычислительной сходимости метода поточечной коллокации с кусочно постоянной аппроксимацией на элементах в задачах электродииамики/Петрш А.Б., Лещанский Ю.И.//МФТИ. М.,'1987. 11с.: ил.-Библиогр. 6 назв. Рус.-Деп ВИНИТИ 22.05.87, №3661-В 87.

57. Щелевая антенна с резонатором прямоугольной формы/ Лещанский Ю.И. , Петрин А.Б.//МФТИ. М;' 1987. 8 е.: ил.-Библиогр. 2 назв. Рус.-Дсп. ВИНИТ? !< 22.05.87, №3662-В 87.

58.Токи на фланце щелевой антенны/Лещанский Ю.И., Петрин А.Б.//МФТИ. М.

1987. 9с.: ил.-Библиогр. 2 назв. Рус.-Деп. ВИНИТИ 25.08.87, №6214-В 87.

59. Эффективное численное решение некотрых граничных задач электродинамику методом поточечной коллокации/ Лещанский Ю.И, Петрин А.Б.//МФТИ. М.

1987. 16 е.: ил.-Библиогр. 2 назв. Рус.-Деп. ВИНИТИ 21.01.88, №561-В 88.

60. Щелевая антенна/ Лещанский Ю.И,, Подшибякин Н.Г., Мигинский С.В.// А.С №260152, зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 1 сент. 1987г.

61.Щелевые антенны с резистивными структурами/ Лещанский Ю.И., Петрш А.Б.//МФТИ. М., 1988. 15 е.: ил.-Библиогр. 2 назв. Рус.-Деп. ВИНИТИ 05.04.88 №2601-В 88.

62. Двусторонние щелевые антенны/ Лещанский Ю.И., Петрин А.Б.//МФТИ. М.

1988. 20 е.: ил.-Библиогр. 2 назв. Рус.-Деп. ВИНИТИ 24.05.88, №4005-В 88.

63. Электродинамический метод определения влажности и солености почв/ Лещанский Ю.И., Петрин А.Б., Чернокалов А.Г., Чилингир А.Р.//Доклады Всесоюз

ой конференции ВНИИСХМ Госкомгидромета СССР. Использование соврсмен-ых технических средств по влагометрии в практике обеспечения сельскохозяйст-енного производства. Кишиисв, 26-27 авг. 1987. Гидрометеоиздат. Ленинград, 989. С.54-61.

4.Лещанский Ю.И., Петрин А.Б. Влияние поверхностной волны на параметры гелгощейся щелевой антенны//ВНТОРЭС. Центральное правление. XL1V всесо->зная научная сессия, посвященная Дню радио /Радио и связь. М., 1989. С.60-61 Москва).

5. Лещанский Ю.И. Учет взаимного влияния элементов поверхности в методе екторных потенциалов//Распространение и дифракция радиоволн в неоднород-ых средах: Междувед.сб./МФТИ. М., 1989. С.120-127.

5. Некоторые вычислительные методы электродинамики / Лещанский Ю.И., Пет-ин Л.Б., Попова Н.Я. Текст лекций по курсу «Электродинамика излучающих уст-оиств»//МФТИ. М., 1989. 52с.

7. Лещанский Ю.И., Мигинскнй C.B. Помехи от естественных неоднородностей эунта при подповерхностной радиолокации/Представлено академиком Богомоло-мм 20.XI.87. по разделу «Техническая физика»//Доклады АН СССР. 1989. Т.304. ып.5.С.1136-1138.

^-Линейные и цилиндрические равномерные решетки излучателей/Лещанский ).И. Мстодич. указания к лаб. работам по курсу «Основы выч. техники»//МФТИ. 1., 1989. 16с.

З.Лещанский Ю.И. Инженерный метод расчета обратного рассеяния радио-мш//Вопросы дифракции и распространения радиоволн: Междувед.сб./МФТИ. [., 1990. С. 139-149.

). Принципы электродинамики и метод собственных волн/ Лещанский Ю.И., Бо-эдин А.Н., Корпев В.Е. Текст лекций по курсу «Электродинамика излучающих зтройств»//МФТИ.-М„ 1990. 51с.

1. Лещанский Ю.И., Попова Н.Я. Обоснование расчета обратного рассеяния ме-)Дом ссчений//РПТОРЭС. Научно-технический семинар «Распространение и ди-ракция электромагнитных волн в неоднородных средах». М., 1992. С.62-64 Смоленск).

2. Лещанский Ю.И., Мигинский C.B., Подшибякин Н.Г., Чилингир А.Р. Испытала геолокатора в Северо-Муйском тошюле// РНТОРЭС. Научно-технический се-инар «Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных >едах». М., 1992. С .25-27 (Смоленск).

?. Бородин А.Н., Дручинин C.B., Корпев В.Е., Лещанский Ю.И., Подшибякин .Г. Испытания геолокатора при проходке тоннелей метро//РНТОРЭС. Научно-:хнический семинар «Распространение и дифракция электромагнитных волн в ¡однородных средах». М., 1992. С.27-29 (Смоленск).

1. Лещанский Ю.И. Приближенный способ вычисления эффекгивной площади биолокационного рассеяния металлических или металлодиэлектрических тел 13личной формы//Дифракния и распространение электромагнитных и акустиче-их волн: Междувед.сб.// МФТИ. М., 1992. С. 169-187.

75. Дручинин С.В., Лещанский Ю.И. Численный способ решения системы интегральных уравнений «скалярного потенпиала»в задачах электродинамики и егс связь с «руфтоп»-способом//Дифракция и распространение электромагнитных и акустических волн: Мсждувед.сб.// МФТИ. М., 1992. С.72-80.

76. Дручинин С.В., Лещанский Ю.И. Численное решение задачи разделения roKoii па сторонах тонкого металлического экрана//Моск. НТОРЭС, МЭИ. Научно-техническая конференция «Перспективы развития антенно-фидерной техники и ее элементной базы с демонстрацией программ САПР». Суздаль, 1992. С.95.

77. Дручинин С.В., Лещанский Ю.И., Подшибякин Н.Г. Экспериментальные исследования антенн для подповерхностной радиолокации//Моск. НТОРЭС, МЭИ Научно-техническая конференция «Перспективы развития антенно-фидерной техники и ее элементной базы с демонстрацией программ САПР». Суздаль, 1992 С.96-97.

78. Лещанский Ю.И., Петрин А.Б. О щелевых и вибраторных антеннах на плоской поверхности материальной срсды//Моск. НТОРЭС, МЭИ. Научно-техническая конференция «Перспективы развития антенно-фидерной техники и ее элементной базы с демонстрацией программ САПР». Суздаль, 1992. С.98-99.

79. Дручинин С.В., Лещанский Ю.И., Петрин А.Б. Способы численного решения интегрального уравнения электромагнитного поля в задачах излучения и рассея-ния//Моск. НТОРЭС, МЭИ. Научно-техническая конференция «Перспективы развития антенно-фидерной техники и ее элементной базы с демонстрацией программ САПР». Суздаль, 1992. С. 100-101.

80. Druchinin S.V., Leschansky J.l. A Slot Subsurface Radar antenna 'Near the Ground Surface//Proceeding of the 1992 International Symposium on Antennas and Propagation, ISAP-92/Sapporo, Japan. Sept. 22-25 1992. Vol.1, pp.137-140.

81. Kornev V.E., Leschansky J.I. The Coupling between Two Horns with Square Apertures on Common Metallic Flange//Proceeding of the 1992 International Symposium or Antennas and Propagation, ISAP-92/Sapporo, Japan. Sept. 22-25 1992. Vol.1, p.277.

82. Лещанский Ю.И., Петрин А.Б. Прохождение видеоимпульса через две щелевые антенны на границе раздела сред//Лазерная интерферометрия : Между-вед.сб./МФТИ. М.. 1993. С.100-115.

83. Лещанский Ю.И. Задача о двух смежных объемах в электродинами-ке//Лазерная интерферометрия : Междувед.сб./МФТИ. М., 1993. С.116-137.

84. Дручинин С.В., Лещанский Ю.И. Расчет характеристик щелевой антенны георадиолокатора, находящейся вблизи поверхности грунта//Распространенис и дифракция электромагнитных волн: Междувед.сб./МФТИ. М., 1993. С.130-143.

85. Корнев В.Е., Лещанский Ю.И. Исследование частотных характеристик щелевых антенн//Распространение и дифракция электромагнитных волн: Междувед.сб./МФТИ. М., 1993. С.144-152.

86. Druchinin S.V., Kornev V.E., Leschansky J.I., Petrin A.B., Podshibjakin N.G. A slol Antenna for the Subsurface Radar//XXIV General Assembly of the URSI/Kyoto, Japan, Aug.25-Sept.2, 1993. p.258.

87. Дручинин C.B., Лещанский Ю.И. Модель для расчета диэлектрической проницаемости влажного песчано-глинистого грунта в диапазоне длин волн от санти-

яровых до метровьгх//РИТОРЭС. IV Международная научно-техническая конвенция « Распространение и дифракция радиоволн в неоднородных средах». М., т. С.52-54 (Вологда).

>. Корнев В.Е., Лещанский Ю.И. Исследование антенной системы для подпо-рхносгной локации//РНТОРЭС. IV Международная научно-техническая конфе-:нция « Распространение и дифракция радиоволн в неоднородных средах». М., >94. С.55-57 (Вологда).

К Дручинин С.В., Лещанский Ю.И., Подшибякин Н.Г. Рзсчет импульсных ха-исгеристик георадиолокатора//РНТОРЭС. IV Международная научно-хннческая конференция « Распространение и дифракция радиоволн в неодно->дных средах». М., 1994. С.87-89 (Вологда).

). Лещанский Ю.И., Попова П.Я. Обратное рассеяние радиоволн от плоских ме-ллнческих пластин//РНТОРЭС. IV Международная научно-техническая конфе-:нция « Распространение и дифракция радиоволн в неоднородных средах». М., 194. С.20-21 (Вологда).

. Дручинин С.В., Лещанский Ю.И., Подшибякин Н.Г. Влияние проводимости унта на форму и амплитуду импульсных сигналов георадиолокатора//Проблемы фракции и распространения волн: Междувед.сбУМФТИ. М., 1994. С. 105-112. '.. Лещанский Ю.И., Дробышев Л.И. О влиянии тангенса угла потерь на решение ектродинамической задачи//Проблемы дифракции и распространения волн: еждувед.сб./МФТИ. М., 1994. С. 113-118.

¡. Лещанский Ю.И., Дробышев А.И. Электрические параметры песчано-инистых грунтов в диапазоне УКВ и СВЧ в зависимости от влажности и темпе-туры//Междувед.сб./МФТИ. М.,1995. С.4-28.

I. Druchinin S.V., KornevV.E., Leschansky Ju.I., Lukin D.S, Podshibyakin N.G. ;oradar for Subsurface Sounding/ Moscow Institute of Physics and Technology// Asso-ltion of Korean Science and Technology Sociaties of CIS. Korea Institute of Telemat-; and Electronics. «International Workshop on Advanced Electronics Technology-95»/ esidium of Russian Academy of Science, Moscow, Russia. Nov.27-Dec.02, 1995. 1.154-156.

Лещанский Ю.И. Георадиолокация n МФТИ за 38 лет // Евро-Азиатское Геогр. Зщество, Ассоциация Инженеров Геофизики, МГУ, Консалт. фирма «ГеоИнвест знсалтит». Первая школа-семинар «Георадар в России». М., 1996. С. 12-13.

Лещанский Ю.И. Электродинамические методы георадиолокации в МФТИ i.-А.Г.О., АИГ, МГУ, «ГеоИнвест Консалтинг». Первая школа-семинар "еорадар в России». М., 1996. С. 14-15.

'. Лещанский Ю.И., Лукин Д.С., Корнев В.Е., Дручинин С.В., Подшибякин Н.Г, ¡рнокалов А.Г. Радар для работы в тоннелях и на поверхности земли // Е.-А.Г.О., ЯГ, МГУ, «ГеоИнвест Консалтинг». Первая школа-семинар «Георадар в России». ., 1996. С. 15-16.

1. Электрические параметры песчано-глинистых грунтов от влажности и темпе-1туры в диапазоне волн от пяти миллиметров до пяти километров/Лещанский ».И., Дробышев А.И.; Моск.физ.-тех.ин-т. М., 1996. -20с.:-Библиогр. 19 назв. 'с.-Деп. ВИНИТИ 26.07.96, №2566-В 96.

99. Лещанский Ю.И., Дробышев А.И. Зависимость тангенса угла потерь песчаны и глинистых грунтов от частоты, объемной влажности и температуры // РАН, На учн. совет по комплексной проблеме «Распространение радиоволн», ИРЭ РАН, П РФ по высш. образованию, НИЧ радиофизики при С.-П. Гос. университете. XVII Всероссийская конференция по распространению радиоволн. М., 1996. С. 257-258 (С.-Петербург).

100. Лещанский Ю.И. Метод последовательных нормальных взаимодейст вий//Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн: Между вед.сб./МФТИ. М., 1996. С.53-60.

101. Лещанский Ю.И., Черноусов К.А. Расчет обратного рассеяния радиоволн о металлического параллелепипеда.// Проблемы дифракции и распространение электромагнитных волн: Междувед.сб./МФТИ. М., 1996. С.61-67.

102.Лещанский Ю.И. Лемма Лоренца на границе раздела двух сред.//РНТОРГЗС L1I Научная сессия, посвященная дню радио. М., 1997. С. 165-166 (Москва).

103. Дручинин C.B., Корнев В.Е., Лещанский Ю.И., Лукин Д.С., Подшибяки Н.Г., Чернокалов А.Г., Чубинскнй Н.П. Георадар и его математическое обеспече ние для формирования трехмерных изображений подповерхностных объектов I РНТОРНЭС. LII Научная сессия, посвященная дню радио. М., 1997.; С. 247-2 5( (Москва).

104. Черноусов К.А., Лещанский Ю.И. Радиолокационное отражение от объекта различной формы, в том числе расположенных в фунте с поглощени ем.//РНТОРЭС. LII Научная сессия, посвященная дню радио. М., 1997. С.25< (Москва).

105. Лещанский Ю.И., Дробышев А.И. Параметры песчано-глинистых фунта цельных и перекопанных.//РНТОРЭС. L11 Научная сессия, посвященная дню ра дио. M., 1997. С.257 (Москва).

106. Дробышев А.И., Лещанский Ю.И. Измерение влажности и пористости фунп на заданных глубинах в скважине.//РНТОРЭС. LII Научная сессия, посвящения: дню радио. Секция «Излучение и дифракция электромагнитных волн». М., 1997 С. 258 (Москва).

Работы 1, 2, 9, 10-12, 17, 19, 26,43, 44, 48, 55, 60, 65, 68, 69, 74, 83, 95, 96 100, 102 написаны без соавторов, в работах 7, 16, 20-22, 27-29, 31, 34-38, 40, 45 47, 49-53, 60, 61, 63, 64, 70, 71, 82, 90, 92, 93, 98, 99, 101, 105 вклад соискател являлся определяющим. В остальных работах вклад соискателя того же порядка что и вклад соавторов.

Соискатель J/f^y^ ^ ^ Лещанский.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Ч] ' 0 а _ А ч с - #

I

На правах рукописи

ЛЕЩАНСКИЙ Юрий Илларионович

УДК 621.396+621.371+537.226

ГЕОРАДИОЛОКАЦИЯ И ОДНОСТОРОННЕЕ РАДИОПРОСВЕЧИВАНИЕ ГРУНТОВ И СРЕД С ПОГЛОЩЕНИЕМ

Специальность: 05.12.04- Радиолокация и радионавигация.

Автореферат

диссертаций на'сбискание^ученой степени доктора ^технических наук в форме научного доклада

Работа выполнена на кафедре Физико-математических проблем волновых процессов Московского физико-технического института (государственного университета)

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Каплун В.А.

- доктор технических наук, с.н.с Павельев В А.

-доктор технических наук, профессор Троицкий В.И.

Ведущее предприятие - АО Радиотехнический институт им. академика А.Л. Минца.

Защита состоится « ./» О/СТ? 1998 года в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 072.05.03 при Московском государственном техниче-г ском университете гражданской квиации.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУГА.

Автореферат (доклад) разослан « 2% 1998 года

' <

г

э

19,

99

Ученый секретарь Диссертационного Совета доцент, к.т.н.

Попов А.С.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация представлена в форме научного доклада, подготовленного по исследованиям, выполненным лично автором доклада, а также совместно с некоторыми участниками руководимого им коллектива.

1.1. Введение и актуальность проблемы

В 1958 г. Отдел научных работ Главного управления политехнических вузов согласовал с кафедрой, и поручил ей проведение исследований по возможности обнаружения естественных и искусственных неоднородностей в грунте на глубинах до нескольких метров волновыми методами. Тема была включена в план важнейших научно-исследовательских работ института и на много лет определила одно из основных направлений, по которому велись исследования на кафедре.

Актуальность проблемы излучения, приема и распространения при одностороннем радиопросвечивании грунтов и сред с поглощением, когда передающая и приемная антенны расположены с одной стороны от исследуемой среды, связана с конкретными задачами, которые как в 1958 году, так и в настоящее время, по-прежнему, необходимо решать на практике. Это поиск засыпанных колодцев, подземных складов и хранилищ, мест захоронения, мест закладки фугасов и противотанковых мин в металлических и неметаллических корпусах, установленных на железных, шоссейных и грунтовых дорогах, на аэродромах, а так же выявление ранее заложенных в грунт неметаллических и металлических коммуникаций, силовых и связных кабелей и проводов. Называли это «подземной радиолокацией», так как понятие «георадиолокация» еще не было принято.

Позднее, по мере расширения круга вопросов, подлежащих решению методами георадиолокации, к этим направлениям добавилось выяснение возможности опережающего контроля состояния горного массива при проходке тоннелей и строительстве метро.

1.2. Цели работы

В данной работе рассмотрены следующие вопросы:

1. Исследование электрических параметров песчано-глинистых фунтов .•5,8] в зависимости от длины волны и влажности и разработка математических

зелей грунта для последующего выбора диапазона волн, обеспечивающего наи-зиьшую возможную дальность обнаружения конкретных объектов поиска и досрочную для их опознавания разрешающую способность проектируемого геора-окатора [29,31,93,98,105].

2. Исследование электрических параметров некоторых строительных мате-

в применяемых для возведения подземных сооружений, с целью последую-

определения контрастности и реальной возможности их обнаружения на фо-

»

I

5

не сигналов, отраженных от естественных неоднородностей окружающего грунта [32,39,,673

3. Опенка электрических параметров льда, сухого и мерзлого грунтов,

4. Разработка конструкции, теоретические и экспериментальные исследования свойств щелевых, антенн для георадиолокаторов, расположенных на поверхности грунта или горной породы [38, 40, 66 с.25-30, рис. 2.4, рис. 3.3, рис 4.3, 84].

5. Разработка методики расчета эффективной площади рассеяния (ЭПР) различных объектов, расположенных в грунте [66, с.38-49]. Нахождение на поверхности данного тела при его радиолокации зон Френеля в поле, отраженном по направлению к источнику падающей волны [44, с.172-177, 47, 52, 101 с.61-67]. Применение в соответствии с принципом стационарной фазы приближенного «инженерного» метода сечений [69 с.139-149, 71 с.169-183, 90].

6. Выяснение дальности действия некоторых видов георадиолокаторов в реальных условиях. Сравнительные возможности некоторых видов георадиолокаторов. Испытания георадиолокатора с ударным возбуждением излучающей щелевой антенны малой добротности:

а) в условиях Северо-Муйского тоннеля [72],

б) в условиях строительства метро в гор. Днепропетровске [73].

7. Учет при георадиолокации коррелированных помех от обычного неоднородного песчано-глинистош грунта [67] и трещиноватого гранита.

1.3. Объекты и методы исследования

1. Проводилась подготовка песчаного и глинистого грунтов для их исследования. Создавались измерительные стенды из серийной аппаратуры, велась разработка и изготовление недостающих к ним несерийных конструкций, таких как измерительные волноводы и измерительные коаксиальные линии с целью проведения последующих исследований электрических параметров песчано-глинистых грунтов, а также некоторых строительных материалов на целом ряде частот, определяемых в значительной степени конкретными аппаратурными возможностями, а также научной целесообразностью.

Измерения выполнялись в соответствии с методом «короткого замыкания». Большая часть измерений и их обработка проводилась Г.Н. Лебедевой с помощью достаточно точных номограмм, специально вычисленных ею для этих расчетов на ЭВМ типа БЭСМ-2 и Сгрела-3.

Разрабатывалась математическая модель электрических параметров песчано-глинистых грунтов в зависимости от длины волны, влажности, относительного содержания песка и глины и температуры грунта с применением формулы смеси Беренцвейга для составляющих грунта, и формулы Дебая для молекул воды [29, 31, 93, 98, 105] с учетом экспериментальных данных [3,6,8], найденных ранее в диапазоне сантиметровых-метровых радиоволн при температуре 18-20 °С.

2. Разрабатывались и изготавливались действующие макеты щелевых антенн, а также действующие модели этих же антенн, уменьшенные по сравнению с натуральными размерами в 4-10 раз.

3. Было сконструировано и изготовлено специальное устройство, заполненное песком, для снятия диаграмм направленности щелевых антенн в грунте и определения их относительной полосы пропускаемых частот на моделях [40].

4. Развязка между приемной и передающей антеннами при различном их взаимном расположении, а также входные сопротивления антенн исследовались как на моделях, расположенных на поверхности песка [40], так и в натурных экспериментах на макетах антенн, расположенных на поверхности реального грунта [77].

5. Для проверки работоспособности и настройки антенн изготавливались парами неглубокие отдельные для каждой антенны колодцы, разнесенные друг от друга на 1-4 м [77].

6. Была сконструирована песчаная ваши как для размещения моделей антенн, так и для размещения моделей объектов поиска.

7. В открытом грунте в лесу рядом со зданием лаборатории были произведены закладки различных объектов поиска, часть из них на глубине до 3-3.5 метров.

8.Изготавливались конкретные георадиолокаторы на различные длины волн.

9. Велось рассмотрение электродинамических методов расчета щелевых антенн, расположенных как вблизи, так й на самой плоской или не плоской границе раздела сред. Решение подобных задач в литературе отсутствовало, поэтому исследовались самые различные подходящие методы [1,2,4,5].

Первым был рассмотрен метод собственных волн. На практике метод оказался далеко не всегда пригодным для решения интересующих нас задач. Нужен был более универсальный метод.

10. Самым универсальным на наш взгляд оказался метод трехмерных «сеток», точнее метод конечных разностей для проекций составляющих электромагнитного поля Е и Н по декартовым координатам в уравнениях Максвелла [10,11,16], пригодный даже для сред, неоднородных как по е, гак и по ¡х [12]. Однако ячейки таких сеток должны заполнять весь объем или значительную часть объема интересующей нас Зх -мерной задачи и иметь при этом линейные размеры, много меньшие длины волны, а это приводит к быстрому росту числа линейных алгебраических уравнений тго мере увеличения диаметра задачи в длинах волн.

11. Меньшую систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) дает метод интегро-дифференциальных уравнений (ИДУ), с использованием электрического и магнитного векторных потенциалов, или «метод векторного потенциала» по Фрадину, который и использовался весьма широко автором данного доклада при проведении описанных ниже исследований [18,30,33,35,51,53,55-59,61-62,6466,75,77-86,88-89,91-92].

Метод был нами развит применительно к щелевым антенным устройствам, расположенным на границе раздела сред, и к телам, соизмеримым с диапазоном рабочих длин волн.

12. В тех случаях, когда диаметр задачи был больше или много больше рассматриваемых длин волн, применялся значительно более простой в вычислительном плане приближенный метод, опирающийся на лемму Лоренца.

Лемма Лоренца была использована в следующих наших работах [9,17,36,4448,66,69,71,74,90,100-101,102,104], посвященных расчету прямого прохождения через блок щелевых антенн и нахождению сигнала, отраженного от объектов различной формы, расположенных в однородной среде,

1.4. Научная новизна

1. Впервые экспериментально исследованы электрические параметры отдельно песчаной и отдельно глинистой составляющих единого песчано-глинистого грунта в зависимости от влажности в диапазоне радиоволн от 0.8 см до 226 см, что позволило, помимо электрических параметров песчаного и глинистого грунтов, также впервые рассчитать электрические параметры «слоя вмывания» и «стандартного грунта». Полученные данные до сих пор уникальны.

2. Впервые, опираясь на формулу Беренцвейга для смеси диэлектриков, на формулу Дебая для воды и на упомянутые выше экспериментальные данные, построена математическая модель поведения электрических параметров песчаного грунта: показано, что в диапазоне радиоволн длиной от сантиметра до метра проводимость влажного песчаного грунта снижается на три порядка. Далее для волн, длиннее 1 метра, эта проводимость не меняется.

3. Опираясь на те же формулы и экспериментальные данные, показано, что проводимость глинистого грунта плавно снижается от сантиметровых волн до самых длинных радиоволн на те же три порядка, и на волнах длиннее 300 км., что соответствует частоте радиоколебаний меньше 1 килогерца, проводимость грунтового раствора глинистого грунта вплотную приближается к проводимости грунтового раствора песчано1'о грунта.

4. Установлено, что диэлектрическая проницаемость песчаной составляющей грунта увеличивается 3, а глинистой составляющей в 4 ' раза . по мере увеличения длины волны от 1 см до 10 см. При дальнейшем увеличении длин волн их диэлектрические проницаемости остаются неизменными.

5. Показано, что в отличие от этого, смесь песчаного и глинистого грунтов дает некоторое дополнительное увеличение диэлектрической проницаемости на волнах порядка 10 метров, где для такой смеси, содержащей 1/4 - 1/5 глинистой составляющей, называемой в данном докладе «стандартным грунтом», имеет место явно выраженный подъем величины Re(s) (эффект Максвелла-Вагнера).

6. Впервые исследовано экспериментально и теоретически с помощью метода векторных потенциалов поведение щелевой антенны на плоской поверхности границы раздела срсд с учетом взаимного влияния электрических и магнитных поверхностных эквивалентных токов всех элементов этой поверхности, а также с учетом влияния, возникающей на этой границе поверхностной волны, на растекание электрических токов по «крыльям» антенны, на развязку верх-низ для каждой антенны в отдельности и на общую пространственную развязку между передаго-щей и приемной антеннами георадиолокатора в зависимости от' взаимной ориентации антенн и расстояния между ними.

7. Экспериментально определен коэффициент полезного действия двух антенн с частичным ферритовым заполнением на сухом грунте.

8. Расчетным путем и экспериментально найдены структура электромагнитного поля исследуемых щелевых антенн, расположенных на плоской поверхности грунта, в Е- и Н- плоскостях, их коэффициенты направленного действия, входные сопротивления, полоса пропускаемых частот для различных грунтов.

9. Проведено сравнение результатов расчетов прямого прохождения радиоволн из раскрыва излучающего волновода в раскрыв приемного волновода, полученных различными способами, для случаев, когда фланцы этих волноводов расположены рядом на общей металлической пластине и имеют с ней и друг с другом электрический контакт. Расчеты показали, что как метод векторных потенциалов, так и метод с применением леммы Лоренца дают в этом случае результаты, совпадающие с экспериментальными данными.

10. Разработаны новые две методики расчета обратного радиолокационного рассеяния от тел различной формы: по фрагментам зон Френеля обратно рассеянного поля и методом «сечений» в соответствии с принципом стационарной фазы.

11. С помощью леммы Лоренца впервые рассчитана диаграмма обратного, радиолокационного рассеянйя радиоволн от объемного тела прямоугольной формы.

12. Выполнено уникальное экспериментальное исследование маскирующего действия коррелированных помех от естественных неоднородностей грунта и трещиноватого обводненного гранита.

1.5. Практическая ценность работы и ее реализация

Включенные в данный доклад результаты получены или лично автором доклада, или автором доклада совместно с другими участниками научно-исследовательской работы по рассматриваемой тематике, выполняемой по планам важнейших работ бывшего Минвуза СССР, по Постановлениям бывшего ГК СМ СССР по науке и технике, по заданиям НИИ и КБ различных ведомств, а в последнее время по заданиям НИИ и КБ Министерства Промышленности России, а также по договорам о сотрудничестве с различными организациями в период с 1958 по 1998 год включительно.

Целый ряд полученных результатов доведены до инженерных решений в виде формул, графиков и практических рекомендаций [8,9,17-20,26,31-33,36,38,40,44,49,52,57-59,61,62,64-67,69-74,82,85,90-93,98,99,101,102,104].

Рассчитаны и изготовлены измерительные установки для исследования электрических параметров грунта, определения его влажности и пористости, для исследования электрических параметров некоторых строительных материалов, для снятия диаграмм направленности антенн в грунте, для измерения величины развязки между антеннами при их различном взаимном расположении на поверхности фунта, произведены закладки различных искусственных неоднородностей в грунт, используемые в НИР МФТИ и НИР других организаций. Для георадиолокаторов разработаны малогабаритные щелевые антенны двух видов. Имеются

конкретные схемные и программные решения, методики расчета параметров сред и антенн, и методики обработки принимаемых сигналов.

Действующие макеты и опытные экземпляры антенн и георадиолокаторов были изготовлены совместно с АО ЦНИИС НИЦ «Тоннели и Метрополитены» и совместно с I-ШИП Мин. Пром. России (гор. Жуковский). Часть макетов локаторов и антенн после соответствующей нашей проверки или настройки были переданы этим организациям. Два георадиолокатора НИИП с такими антеннами приобретены Государственным таможенным Комитетом РФ, по одному георадиолокатору с такими же антеннами были приобретены Генеральной прокуратурой РФ и Компанией Ростелеком. Краткое описание локатора и его антенн приведено в журнале «Разведка и охрана недр.» М.: Недра. 1997. №7, (см центральную вкладку). Описание локатора помещено в журнале «Современные технологии и автоматизация.» 1997. №1. Изд. СТА-ПРЕСС. с.88-92. Один локатор в настоящее время дорабатывается в соответствием с конкретным заданием ГП РОСДОРНИИ под руководством доцента кафедры, к.т.н. Чубинского Н.П. - ведущего разработчика радиотехнической части последних вариантов георадиолокаторов МФТИ, второй такой , же локатор уже передан ЗАО Геологоразведка.

Практическая ценность опубликованных нами данных по электрическим параметрам песчано-глинистьш грунтов следует из того, что эти данные были заимствованы из наших работ другими авторами. Так в книге М.И. Финкельштейна и др. «Радиолокация слоистых земных покровов». М.: Сов. радио, 1977, имеются ссылки на две наши работы [6] ¡968 года, и [8] 1971 года, а фактические данные из работы [8] вошли в справочный материал этой книги. Имеется ссылка на работу [8] и в книге A.M. Шутко «СВЧ - радиометрия водной поверхности и почвог-рунт