автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Методы и средства пространственной селекции в системах обнаружения и местоопределения источников магнитных полей

•-У»

СЕВЕР»ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ДИССЕРТАЦИОННЫЙ СОВЕТ КР 063. 38. 01

Для служебного пользования Экз. N 0 0 0 01

На правах рукописи

МИТРОФАНОВ Александр Михайлович

удк 621. 317. 44: 621. 396. 969

метода И средства пространственной селекции в системах обнаружения и местоопределения источников магнитных полей

05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С 3 п И

'/* Санкт-Петербург 1995

же.

Ъ-йь и'П

зпл

ДС "Я

г:"

Работа выполнена в Северо-Западном заочном политехническом институте.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пащенко Е. Г.

доктор технических наук, профессор Каратаев О. Г. кандидат технических наук, старший научный сотрудник Семенов В. Г.

Ведущее предприятие - НИИ "Вектор".

Зашита состоится СЫ-ра/^Я 1995 г. в часов

в аудитории _ на заседании диссертационного совета

КР 063.38.01 при Северо-Западном заочном политехническом институте (191065, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

МИр/ЖХ- 1995-Г.

Ученый секретарь диссертацинного совета кандидат технических наук,

доцент Ж ^ / В. К Воронцов

общая характеристика работы

Актуальность темы. Во многих областях техники существует потребность в решении задач обнаружения и определения положения и других параметров объектов-источников магнитных полей. Такими объектами являются железорудные месторождения полезных ископаемых и корпуса судов, вызывающие местную аномалию магнитного поля Земли (МПЗ), работающие электро- и радиосредства, объекты-нарушители, обладающие собственным или наведенным магнитным моментом, пересекающие охраняемый рубеж, мовг и сердце человека при магнитографических исследованиях.

Во всех перечисленных практических приложениях речь идет об обнаружении и определении параметров источников весьма низкочастотных магнитных полей в диапазоне от сотых долей герца до единиц килогерц, когда приемное устройство располагается в пределах зоны индукции источника магнитного поля.

В середине 80-х годов радиотехнические системы специального назначения, решающие подобные задачи, объединены термином системы "магнитной локации" (МЛ).

Для выполнения своих функций система МЛ должна обеспечить измерение (в частном случае - обнаружение) сигнала от объекта-источника -помощью измерительных преобразователей (ИП) некоторых выбранных параметров магнитного поля и вычисление по полученным данным параметров источника, т.е. решение обратной задачи для источника поля.

Известно достаточно много решений обратной задачи в квазистатическом приближении, полученных для различных наборов исходной информации о параметрах поля. В частности, это направление активно развивалось в ВНИИМе им. Д. И. Менделеева, ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина), Институте кибернетики в г.Киеве.

Достижение высокой точности определения параметров источника связано с обеспечением малых ошибок измерения параметров созданного им магнитного поля. Однако на практике это затруднительно из-за действия помех. Главной особенностью помеховой обстановки в рабочем диапазоне частот систем МЛ является идентичность спектрально-временных характеристик сигнального и помеховых полей. Поэтому актуальной становится задача разработки методов и средств пространственной селекции. При этом фазовые методы не могут быть использованы, и пространственная селекция должна быть реализована только амплитудными методами.

Цель и задачи работы. Делыо диссертационной работы является раз-

работка методов и средств пространственной селекции источников магнитного лодя для зоны индукции, обеспечивающих работу систем МЛ в реальной помеховой обстановке.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- решаются обратные задачи для дипольного источника по результатам измерения только первых пространственных производных компонент вектора магнитного поля. При этом рассматривается общий случай и ряд практически важных частных случаев, связанных с наличием априорной информации о некоторых параметрах источника;

- разрабатываются структуры пространственных фильтров, использующих различную пространственную изменчивость сигнального и помехового полей;

- определяется эф£»ктивность использования пространственных фильтров и ее зависимость ог ошибок измерения пространственных производных (градиентов) поля;

- разрабатываются методы повышения точности градиентных измерений;

- проводятся экспериментальные исследования макетов чисто градиентных систем МЛ;

- разрабатываются две практические системы МЛ, предназначенные для обнаружения пространственных неоднородностей в водной среде.

Методы исследований. В работе используются метод пространственно-градиентного анализа физических полей, элементы математического анализа и математической статистики, метод аналогии, математическое и физическое моделирование, эксперимент.

Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем.

Решена задача расчета местоположения и вектора момента источника магнитного поля дилольной модели в квазистатическом приближении по результатам измерений только первых пространственных производных компонент вектора индукции. Решение получено для общего случая и для ряда практически важных частных случаев при наличии априорной информации о некоторых параметрах источника.

, Предложен способ определения вектора индукции магнитного поля, не связанный с его непосредственным измерением.

Разработаны структурные схемы режекторных фильтров по дальности и угловому положению.

Предложено оригинальное устройство для электронной балансировки

градиентометрического ЯП, имеющего различия в фазо-частотных характеристиках составлявших его магнитометров.

Предложена оригинальная пространственная структура многоканального измерителя пространственных производных поля, к которой измерение производных проводится в неортогональных пространственных направлениях.

Разработано устройство для обнаружения проводящих объектов, движущихся в русле реки или канала.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

Полученное решение обратной задачи для дипольного источника по результатам чисто градиентных измерений и разработанные на его основе структурные схемы пространственных фильтров по дальности позволяют определять параметры источников магнитного поля в реальной помехоеой обстановке.

Результаты математического моделирования позволили определить степень влияния различных источников ошибок градиентных измерений на эффективность пространственных фильтров по дальности и сформулировать требования к точности измерений.

Разработанные методы балансировки градиентометрических ИП позволили повысить точность измерения пространственных производных поля.

Результаты расчета границ применимости разработанных методов пространственной селекции на основе чисто градиентных измерений позволили определить максимальную дальность действия систем МЛ с пространственными фильтрами в различных средах и диапазонах частот.

Внедренные результаты исследований позволили реализовать действующий натурный макет системы обнаружения проводящих объектов в русле канала в г. Сосновый Бор, а таюшэ были использованы при проведении НИР в НИИ "Вектор", что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Основные положения диссертационной работы, представляемые к аа-

щите.

1. Алгоритм определения местоположения и дипольного момента источника магнитного поля, использующий результаты измерений тензора первых пространственных производных вектора индукции в двух известных пунктах.

2. Способ апосредованиого определения вектора индукции магнитного поля ближнего дипольного источника на фоне помеховых полей, созданных существенно более удаленными источниками, включавший измерение тензора первых пространственных производных поля в двух известных

пунктах, решение обратной задачи для параметров источника и вычисление компонент искомого вектора поля по формулам прямой задачи магнитостатики.

3. Пространственные структуры и алгоритмы обработки результатов измерений, позволявшие реализовать режекторные фильтры по дальности и угловому положению.

4. Пространственная структура многоканального градиентометричес-кого Ш1, в которой пространственные производные измеряются в неортогональных направлениях.

Реализация в народном хозяйстве. Результаты диссертационной работы внедрены в НИИ "Вектор" и на Ленинградской атомной электростанции, что подтверждается актами внедрения.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на Всесоюзном симпозиуме "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств" (Харьков, 1986), на 2-ой Всесоюзной конференции "Прием и анализ СНЧ колебаний естественного происхождения" (Воронеж, 1987), на научно-технических конференциях ЛЭТИ в 1984-1988 г. и на научных семинарах в НИИ "Вектор" в 1986-1990 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано девять печатных трудов, в том числе четыре статьи, тезисы двух докладов и три авторских свидетельства. Кроме того результаты работы включены в десять отчетов по НИР.

Личный вклад автора в разработку проблемы. Основные научные положения теоретические выводы и практические рекомендации получены автором самостоятельно. ,

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников из 85 наименований и четырех приложений. Основной текст диссертации изложен на 142 листах и иллюстрирован 47 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследование возможности пространственной селекции сигналов и помех в магнитолокационных системах

Возможность пространственной селекции сигнальных и помеховых источников при решении задач МП оснрвана_на различном пространственном распределении векторов индукции Ве и Вп , обусловленном различным удалением источников от ИП системы МЛ Устройства, осуществляющие

обнаружения составляет 400-900 м в зависимости от водоизмещения судна.

Вторая система предназначена для обнаружения проводядах объектов, движущихся в русле канала или реки, и основана на регистрации искажения объектом специально созданного низкочастотного магнитного поля. Предложена конструкция излучателя первичного поля, позволяющая реализовать поляризационную селекцию сигнального (вторичного) и помехового (первичного) полей. Проведены теоретические расчеты проходной характеристики для цилиндрического объекта и определена дальность обнаружения равная 6 м при объеме объекта 0,1 м и заданных характеристиках обнаружения. Проведены натурные испытания макета системы на реальной акватории. В результате достигнута дальность обнаружения равная 4 м, что связано с действием дополнительных помех от посторонних металлических предметов, вызывающих ложные срабатывания системы.

Основные результаты работы. В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Разработано решение обратной задачи для дипольного источника магнитного поля в квазистатическом приближении по результатам изменения тензора первых пространственных производных поля в двух известных пунктах, .которое является- единственным и устойчивым при ошибках исходных данных не превышающих 5%.

г. Разработан ряд частных решений обратной задачи для дипольного источника при наличии априорной информации о некоторых параметрах источника, в том числе для случая траекторных измерений только одной компоненты тензора пространственных производных.

3. На основе полученных решений обратной задачи разработаны структурные схемы пространственных фильтров по дальности для двух крайних случаев взаимного расположения источников сигнального и помехового полей относительно зоны приема - (?<;<< Кп и Йс>>Ап • Эти два случая охватывают большинство практических задач МЛ

4. Проведено математическое моделирование и определена эффективность предложенных пространственных фильтров на основе чисто градиентных измерительных систем, а также степень влияния равличных источников ошибок градиентных измерений на эффективность фильтров.

5. Определены границы применимости по дальности методов пространственной селекции на основе чисто градиентных измерительных систем.

6. Разработаны структурные схемы реиекторных фильтров по дальности и угловому положению.

7. Предложен ряд технических решений, позволяющих повысить точность градиентных измерений; в частности выбор оптимальной геометрии катушек индукционного градиентометра, метод фазовой балансировки индукционных или оверхпроводниковых градиентометров и пространственная структура расположения ЯП в многоканальном градиентометрическом устройстве.

8. Проведены лабораторные эксперименты с макетами чисто градиентных систем МЛ различной сложности, результаты которых подтвердили работоспособность предложенных систем и их преимущество в точности определения параметров источника поля при действии мощных удаленных помех по сравнению с чисто магнитометрическими системами МЛ

9. Разработаны две системы обнаружения объектов в виде пространственной неоднородности в водной среде, принцип действия которых основан на регистрации искажения обтьекгом существующего (МПЗ) или специально созданного магнитного поля. В первом случае, при обнаружении корпуса судна регистрируется пространственная неоднородность магнитной проницаемости. Теоретически рассчитанная дальность обнаружения при намерении вертикальной производной вектора напряженности магнитного поля составляет 400-900 м для судов водоизмещением 500050000 т. Во втором случае, при обнаружении проводящего объекта, движущегося в русле реки или канала, теоретически рассчитанная дальность обнаружения составила 6 м для объекта объемом 0,1 м3. В результате натурных испытаний макета системы достигнута дальность обнаружения равная 4 м. Меньшая по сравнению с теоретической дальность обнаружения обусловлена действием помех, связанных с перемещениями посторонних проводящих объектов вблизи зоны обнаружения.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Митрофанов А. М. Помехоустойчивый алгоритм решения обратной задачи магнитостатики// Изв. ЛЭТИ: Сб. науч. тр. /Ленингр. электротехн. ин-т им. В. И. Ульянова (Ленина). -Л : 1985. -Вып. 359. -С. 48-52.

2. Митрофанов A. U. Анализ и пространственная селекция магнитных полей индустриальных источников/УЭлектромагнитная совместимость радиоэлектронных средств: Тез. докл. Всесоюз. симпозиума. - Харьков.-1986.

3. Митрофанов А. М. Пространственная селекция магнитных источников при дистанционной диагностике их параметров// Изв. ЛЭТИ; Сб. науч. тр. /Ленингр. электротехн. ин-т им. R К Ульянова ( Ленина). - Л. : 1987. -Вып. 383. -С. 6-10.

А. Митрофанов А. Е , Пащенко Е. Г., Тихонов В. В. Пространственная селекция источников СНЧ электромагнитных полей/УПрием и анализ СНЧ колебаний естественного происховдения: Тез. докл. 2-ой Всесоюз. конф. -Воронеж. -198?. -С. 83.

5. Митрофанов А. М., Нахимович И. В. Автоматизированная градиенто-метрическая система оптического диапазона// Изв. ЛЭТИ: Сб. науч. тр. / Ленингр. электротехн. ин-т им.Е И.Ульянова (Ленина).-Л. : 1989. - Вып. 406.-С. 50-54.

6. Медведев А. Г., Митрофанов A. ÏL , Трубников В. С. Измерение низкочастотных магнитных полей в условиях индустриальных помех// Изв. ЛЭТИ: Сб. науч. тр. /Ленингр. электротехн. ин-т им. В. И. Ульянова ( Ленина). -Л. : 1990. -Вып. 426. -С.61-65.

7. Способ определения напряженности магнитного поля дипольного источника: А. с. N1267306 СССР/В JL Иванов, А. М. Митрофанов, Е. Г. Пащенко, ER Тихонов; Заявл. 29.11.84; Опубл. 30.10.86.- Бюлл. N12. - 4С.

8. Устройство для измерения пространственных производных поля: A.c. N1320779 СССР/ А. М. Митрофанов, Е.Г.Пащенко, В. Е Тихонов и др.; Заявл. 10.07.85; Опубл. 01.03.87.- Бюлл. N24. - 5С.

9. Градиентометр магнитного поля: A.c. N1405507 СССР/ И. Е. Громова, ЕЛ. Иванов, А. М. Митрофанов; Заявл. 20.11.86; Опубл. 20.02.88 (Для служебного пользования).