автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Обнаружение объектов в укрывающих средах акусто-электромагнитным методом

На правах рукописи

Кучин Сергей Игоревич

ОБНАРУЖЕНИЕ ОБЪЕКТОВ В УКРЫВАЮЩИХ СРЕДАХ Л. 1С1 СТО-ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.12.04 «Рад^счехника, л том числе системы и устройства телевидения»

Автореферат

сссргации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Владимир - 2011

005004257

Работа выполнена на кафедре Радиотехники и радиосистем Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Никитин Олег Рафаилович

доктор технических наук, профессор Орлов Игорь Яковлевич кандидат технических наук, доцент Тельный Андрей Викторович

ОАО «Владимирское конструкторское бюро радиосвязи»

Защита диссертации состоится « 20 » декабря 2011 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, корпус 3, ауд. 301. Тел./факс: (4922) 47-99-60

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

Автореферат разослан « 18 » ноября 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, ФРЭМТ.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

А.Г. Самойлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач коммунального хозяйства является обнаружение подземных трасс трубопроводов различного назначения, кабельных магистралей и регистрация их в специальных кадастрах. Также не решена проблема, с которой человечество вошло в третье тысячелетие - обнаружение скрытых захоронений промышленных отходов. Особенно острой данная проблема стала в связи с дефолтом 1998 года и кризисом в 2008 году. Захоронение на свалках считается наиболее экономичным методом удаления вредных промышленных отходов, чем и пользовались многие предприятия для снижения затрат. Часто такие свалки организовывались несанкционированно, в ближайших лесах.

За последние более чем 30 лет решены фундаментальные вопросы теории переноса излучения в атмосфере, созданы высокочувствительные радары для обнаружения и идентификации скрытых под земной поверхностью объектов. В задачи их применения входят: обнаружение закопанных труб и кабелей, обнаружение неразорвавшихся снарядов, а также военное и гражданское разминирование.

Значительный вклад в разработку методов мониторинга укрывающих сред и обнаружения скрытых в них объектов внесли Г. Н. Щербаков, А. В. Ковалев, М. А. Анцилевич, А. Н. Тихонов, М. Н. Бердичевский, О. Р. Никитин, Р. О. Харгер, К. Сарабанди, Г. С. Агарвал, К. А. Накви, С.А.А. Ризви. Выполненные исследования показывают принципиальную возможность методов мониторинга земной поверхности.

Возможности обнаружения некоторых захороненных объектов сильно снижаются из-за низкого диэлектрического контраста между данными объектами и фоном почвы. Это особенно ощущается на пластиковых и асбестоцементных трубах, а также кабелях. Для увеличения вероятности правильного обнаружения без увеличения ложных тревог, для идентификации обнаруживаемых объектов должны применяться признаки, которые являются характерными для интересующих нас объектов. Один из таких параметров - это электромагнитный (ЭМ) доплеровский спектр сигнала, рассеянного от механически вибрирующего объекта. Использование оборудования, основанного на вышеуказанном принципе, повышает возможности систем обнаружения.

В данной работе поставлена задача разработки новых организационно-технических решений, позволяющих повысить эффективность систем обнаружения и идентификации объектов, находящихся в укрывающих средах и принятие на этой основе управляющих решений по поддержанию заданного уровня безопасности персонала и окружающего населения

Объектом исследования является радиосистема обнаружения скрытых под землей тонкостенных объектов.

Предметом исследования является метод обнаружения объектов в укрывающих средах, основанный на взаимном использовании электромагнитных и акустических волн.

Цель диссертационной работы - разработка методологии построения и использования радиотехнического комплекса обнаружения тонкостенных металлических и диэлектрических объектов, находящихся в укрывающих средах.

Для разработки системы обнаружения скрытых объектов электромагнитно-акустическим методом требуется решение следующих задач:

- разработка электродинамической модели падающих и рассеянных полей в задачах дистанционного зондирования природных сред и укрытых в них тонкостенных цилиндрических объектах;

- математическое моделирование и экспериментальные исследования рассеянного объектами мониторинга доплеровского поля;

- обоснование выбора структуры комплекса обнаружения и параметров СВЧ и НЧ трактов;

- разработка методики и рекомендаций по использованию и построению комплексов идентификации и дискриминации на основе совместного использования электромагнитного и акустического полей.

Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось на основе методов электродинамики, системного анализа, теории вероятности, моделирования и экспериментальных исследований с использованием новых информационных технологий получения знаний об объектах поиска.

Научная новизна результатов заключается в том, что:

1. Разработана электродинамическая модель рассеянных полей, несущих информацию о доплеровских спектральных составляющих в задачах зондирования природных сред электромагнитно-акустическим методом.

2. Разработана структурная организация радиотехнического комплекса обнаружения скрытых объектов (РКОСО) и определены его метрологические характеристики.

3. Разработан научно-методический аппарат, позволяющий обосновать принимаемые решения по обнаружению скрытых тонкостенных объектов, основанные на анализе спектра электромагнитного колебания, рассеянного акустически возмущенным объектом поиска с использованием РКОСО.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:

1. На основе метрологического анализа РКОСО, в зависимости от параметров и скорости движения измерительного комплекса, построена библиотека математических и экспериментальных моделей для различных скрытых объектов, что является базой для построения методики идентификации обнаруженных скрытых тонкостенных объектов. Показано, что использование данного комплекса позволяет повысить разрешающую способность для тонкостенных объектов (труб, кабелей) на 33% по отношению к существующим РКОСО при аналогичной глубине обнаружения.

2. Разработаны рекомендации по применению РКОСО для проведения поиска и идентификации тонкостенных объектов, находящихся в укрывающих

средах. ■ ... . • ¡

3. Возможности поиска труб и кабелей повышаются вдвое за счет способности обнаружения как металлических, так и неметаллических объектов. • . ■•■• ■■'•.,

Результаты, выносимые на защиту:

1. Электродинамическая модель полей, рассеянных от акустически

возмущенного объекта в задачах зондирования природных сред.

2. Методика обнаружения скрытых объектов, основанная на анализе электромагнитного доплеровского поля, рассеянного объектом поиска.

3. Методика и ■ рекомендации по построению радиотехнического комплекса обнаружения скрытых объектов и определение его метрологических характеристик в зависимости от технических параметров и динамики движения по укрывающей поверхности.

Реализация и внедрение результатов диссертации. Результаты исследований использовались в виде математических моделей и алгоритмических средств при разработке проекта комплекса обнаружения скрытых объектов в ОАО «Владимирское конструкторское бюро радиосвязи».

Материалы работы использованы в учебном процессе ВлГУ кафедрой Радиотехники и Радиосистем для специальностей 210301 «Радиофизика и электроника» и 210302 «Радиотехника», направления 210400 «Радиотехника».

Апробация диссертационной работы проведена в форме научных докладов и дискуссий по основным результатам диссертационных исследований на следующих конференциях и семинарах: ,,,

- VII международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии ФРЭМЭ'2008», Владимир, 2008г;

- III и V научно-технических конференциях аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление.» Ковров: КГТА, 2008 и 2009 гг.;

- II Всероссийском научно-практическом семинаре «Прикладные вопросы формирования и обработки сигналов в радиолокации, связи и акустике», Муром, 2010г.

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, включая статью в издании, входящем в перечень ВАК и получено одно положительное решение о выдаче патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, насчитывающего 111 наименований. Работа изложена на 150 страницах и содержит 42 рисунка и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дается обоснование актуальности темы диссертации, ставится цель и необходимые для ее достижения задачи исследования.

Определяется научное и практическое значение диссертационной работы. Приводятся основные положения, выносимые на защиту, результаты внедрения и структура работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния методов мониторинга земной поверхности применимых для обнаружения скрытых объектов. Указаны их достоинства и недостатки, а также возможные области применения. В ходе анализа выявлено, что наибольшей эффективностью применения обладают параметрические методы обнаружения. Данные методы основаны на регистрации искусственно вызываемых контрастов между объектом поиска и фоном за счет дополнительного облучения исследуемого пространства, наряду с основным зондирующим, различными физическими полями. Возникновение этих контрастов обусловлено различной реакцией объекта поиска искусственного происхождения и элементов естественного фона на возбуждающее поле.

Идея применения в качестве зондирующего электромагнитного поля, а в качестве дополнительного «подсвечивающего» - акустических колебаний предложена в [1, 2]. При этом для обнаружения захороненных объектов используется радиотехнический комплекс, измеряющий рассеянное объектом поиска поле, сформированное поверхностным смещением при воздействии на объект возбуждающих акустических волн. При таком подходе поиск основан на выявлении мелких поверхностных возмущений захороненного объекта. В диссертационной работе явление, связанное с рассеянным сигналом, имеющим доплеровский спектр, от акустически вибрирующего объекта, рассматривается как возможное средство обнаружения и идентификации объектов в укрывающих средах.

Вторая глава посвящена разработке математической модели взаимодействия электромагнитных и акустических волн. На рисунке 1 показана схема предложенного обнаружения и идентификации объектов, находящихся в укрывающих средах.

Вибрирующий тонкостенный диэлектрический цилиндр имеет два источника доплеровского рассеяния: изменение формы цилиндра и колебание диэлектрической постоянной на его поверхности. Когда падающая акустическая волна возбуждает цилиндр, то и форма поверхности цилиндра, и плотность материала в пределах цилиндра изменяются со временем. Следовательно, необходимо найти решение рассеяния ЭМ волн от неоднородного диэлектрического цилиндра, искажение поверхности которого определяется случайной функцией. В диссертационной работе вклад рассеяния от граничной деформации получен с помощью распространения метода возмущения на точное решение собственной функции для однородного диэлектрического цилиндра. В задачи работы входит нахождение рассеянного поля от тонкостенных, бесконечных цилиндров, расположенных в среде с £¡,^1. Окружающую среду считаем невязкой и однородной.

Реальные объекты поиска не являются бесконечно длинными цилиндрами. Трубы и кабели, при первом приближении, можно считать такими, но для остальных объектов это не всегда справедливо. Однако, «длинными» можно в данном случае считать цилиндры, длина которых в 8-10 раз превышает их радиус. При этом краевыми эффектами на торцах можно пренебречь.

Излучающая антенна

Принимающая антенна

Рис. 1

Рассмотрим падение плоской волны, распространяющейся по направлению оси х, с поляризацией параллельной оси цилиндра, на возмущенный акустическими волнами диэлектрический тонкостенный цилиндр, как показано на рисунке 2. Радиус цилиндра может быть выражен в полярных координатах как:

р' = а + 6/(ф'Д

где:

а - радиус невозмущенного цилиндра;

/(ф',/) - периодическая и гладкая

функция от угла ф' и времени /;

Ъ - параметр возмущения, принятый намного меньшим, чем длина волны и радиус а, Данный коэффициент отражает изменение во времени внешней границы раздела сред.

Е', Н'

акусгт. волна

Рис.2

Если на границе цилиндр - окружающая среда имеется малое по амплитуде возмущение, рассеянные поля могут быть представлены в виде рядов возмущения относительно аргумента к0Ь. Рассеянное тангенциальное магнитное поле на поверхности возмущенного цилиндра можно найти как:

77„»— |_к0р

где 7]0 - волновое сопротивление окружающей среды; ка - волновое число окружающей среды; Нп<2> - функция Ганкеля п-то порядка второго рода

а - коэффициент равный а =

ьЛФ'А

а + Ь/(ф',()_

+ 1

Р - коэффициент равный В = ^ .

а + Ъ/{ф',1)

Напряженность электрического поля:

к = ¿/чш (1+с:<каь)н?{коР-уф'.

Коэффициент возмущения С™ может быть найден как:

/лМЕ Л-Х'У

С(0=-

- Г(каа)-Л™Н"рт{каа) + %В™Гр{каа)

где - волновое сопротивление материала объекта; к4 - волновое число в материале объекта; ./„ - бесселева функция и-го порядка;

А™ и В™ - коэффициенты, определяемые из выражений:

t±JXhaШkda)-J'Xk0a)JXKa)

дГМ _ Уё______

' .....; =

..........п.

Вибрирующий цилиндр, первоначально являющийся однородным, испытывает колебания плотности, поскольку на него воздействуют внешние низкочастотные упругие волны. В результате, диэлектрическая постоянная будет колебаться в пределах цилиндра, а значит ее флуктуации тоже вносят вклад в рассеянное Поле.

В диссертационной работе' также разработаны математические модели для ТЕ волны (нормально поляризованной волны), рассеянной вибрирующим тонкостенным диэлектрическим цилиндром. Выражения описывающие рассеянные электрическое и магнитное поле представлены ниже:

- 2у/ пк0а

По

су ЧТЕ(1 + л» —= 1АР

где коэффициент С„ге аналогично предыдущему случаю находится из граничных условий:

/ X/..,(0

//</ _

JXkaa)J:{kJa)-^J:{k<1a\JXkJa)

причем

\Ка) V

,=г

а у

Р +

К

р р

А1В = А™ и д1Е= В™ .

Аналогично предыдущему случаю, колебания диэлектрической постоянной вносит вклад в суммарный рассеянный сигнал.

Для иллюстрации эффекта акустического резонанса рассеянного доплеровского спектра, рассчитана амплитуда первой гармоники спектра как функция от акустической частоты. В качестве объекта моделирования взят твердый полиэтиленовый (£=2,25) цилиндр радиусом 50 мм, подсвечиваемый акустическими волнами, плотностью мощности 3 Вт/м . Плотность полиэтилена - 0,9 г/см3. Скорость распространения продольной звуковой волны - 1950 м/с, скорость поперечной сдвиговой волны - 540 м/с.

Частота СВЧ зондирующего поля 3 ГГц. Первый акустический резонанс, соответствующий второй моде, находится на частоте/а = 2,02 кГц.

График этой функции для ТМ падающей волны приведен на рисунке 3. Как видно, амплитуда гармоник мала при частотах, отличных от частот акустических резонансов объекта. Первый резонанс соответствует второй (и=2) моде, далее следуют первая (и=1) и третья (я=3) моды.

В задачи диссертационной

1 1_

2,4

X Л

Рис. 3

работы также входила разработка математической модели рассеяния электромагнитных полей от возмущенного акустическими волнами тонкостенного

металлического цилиндра.

Принципиальным отличием от рассеяния на диэлектрическом цилиндре, в данном случае является то, что в рассеянном сигнале отсутствует компонента, обусловленная колебаниями плотности материала (а значит и диэлектрической постоянной).

Для ТМ волны рассеянное электрическое поле:

К = 1нг + СХЬ)НГ(КР'). .

Я (к0а)

Для ТЕ волны рассеянное электрическое поле: Е>-1 (ЧГ ДУ /1 + КЬИп )НГ(к0р-)- ,

Я„ '(к0а)

где С. - коэффициенты возмущения, которые определены из граничных условий:

£;+£;= 0,

а коэффициенты йп из граничных условий:

+ о

на поверхности возмущенного цилиндра. Данные выражения следуют из уравнений Максвелла.

2ОГ А..0)

с„0) =

о„(1) =

Лг/ (к0а)

1г

ТНУ

Н!г,(к0аУ

Л-/0

им;

И

(Ка)

л(к0а)

Коэффициенты Ат(1) находятся из разложения в ряд Фурье функции возмущения: ' ' ■' '' '

Третья глава диссертации включает в себя экспериментальное исследование доплеровского поля, рассеянного однородными тонкостенными металлическим и диэлектрическим цилиндрами.

Проведение подобных исследований обусловлено необходимостью подтверждения теоретических исследований сигналов, рассеянных тонкостенными цилиндрами находящимися в однородной среде, и определения адекватных моделей в частотной области с целью реализации алгоритмов работы обнаружительного комплекса.

Составлена программа экспериментальных исследований, которая включает проверку моделей различных типов объектов, а также различные типы рельефа поверхности укрывающей среды. В качестве основной среды был выбран песчаный грунт, для которого легко реализовать однородность, постоянную влажность и нанесение поверхностного рельефа. В качестве скрытых объектов использовались тонкостенные металлический и диэлектрический цилиндры радиусом 32,5 мм и длиной 250 мм.

На рисунке 4 приведены нормированные экспериментальные результаты измерения доплеровского спектра, соответствующего рассеянному полю в зависимости от акустической частоты. Глубина залегания объектов Ь=110 мм. Из данного графика видно, что максимумы функции для металлического цилиндра

располагаются на частотах 75 и 225 Гц, в то время как для аналогичного по габаритам диэлектрического цилиндра на частотах 90 и 180 Гц. Т.е. для металлического цилиндра наибольшим уровнем обладают первая и третья резонансные моды, а для диэлектрического первая и вторая. Исходя из полученных данных, можно утверждать, что возможна дискриминация объектов в зависимости от их материала. На рисунке 5 приведены нормированные результаты измерения рассеянного доплеровского спектра от диэлектрического цилиндра. Как видно, характерные резонансные частоты совпадают, что говорит о нечувствительности резонансных частот, возбуждаемых в объекте, к оси акустического излучения

На рисунке 6 приведены нормированные экспериментальные результаты измерения доплеровского спектра в зависимости от акустической частоты. В качестве объекта поиска использовался ' ' диэлектрический тонкостенный цилиндр. На графике сплошной линией показана зависимость напряжения U(fJ при глубине залегания объекта 110 мм, а пунктирной при глубине 140 мм. Данный эксперимент показывает, что максимумы в электромагнитном доплеровском

спектре, рассеянным цилиндром, располагаются при одинаковых частотах (90 и 180 Гц соответственно). Полученные данные подтверждают, что результаты поиска инвариантны относительно глубины залегания объекта. Однако стоит заметить, что при увеличении толщины укрывающего слоя увеличивается затухание зондирующего СВЧ поля, и к приемной аппаратуре нужно предъявлять более жесткие требования (либо использовать малошумящий усилитель во входном тракте).

Большой объем проведенных исследований позволил установить влияние рельефа поверхности, глубины залегания объекта, его материал, а также габаритные размеры на измеряемые радиофизические параметры, а именно характеристики доплеровского спектра электромагнитного поля, рассеянного от вибрирующего с акустической частотой объекта исследований. Анализ результатов экспериментального исследования зондирования земных покровов свидетельствует о возможности использования обнаружительного комплекса, основанного на электромагнитно-акустическом методе, для получения информации о характеристиках и состоянии объекта, находящегося в укрывающей среде.

Четвертая глава посвящена разработке радиотехнического комплекса обнаружения тонкостенных объектов (РКОСО) в укрывающих средах.

Возможно несколько способов размещения комплекса обнаружения:

- комплекс, возимый на тележке, в том числе предназначенной для перемещения по рельсам;

- носимый вариант.

Рис.5

0 SO WO 150 200 250 300 350

КГц

Рис.6

Структурная схема обнаружительного комплекса приведена на рисунке 7.

1 3

2 —> 4

5 6

Рис.7

1. Излучающее антенное устройство;

2. приемное антенное устройство;

3. генератор СВЧ;

4. смеситель;

5. излучатель НЧ колебаний;

6. генератор звуковой частоты; 7.обнаружитель; 8. ПК.

Как показано в предыдущих главах работы, ширина пика рассеянного доплеровского сигнала по уровню -10 дБ составляет Л/= (5...20)*10"3/ц. Использование сигнала, обладающего спектром в виде группы дельта импульсов (рисунок 8), каждый из которых находится в своем поддиапазоне частот шириной Л/, обеспечивает равномерное облучение объекта поиска всеми частотами и приводит к снижению вероятности пропуска сигнала.

Частоты пиков в спектре определяются согласно выражения:

Таким образом, для полного перекрытия диапазона частот 200 Гц - 5 кГц необходимо

7/о)

1п\

N = -

= 646

спектральных

Рис.8

1п(\ + А/) составляющих.

Выражение, описывающее данный

646

сигнал: ¡(0 - £ (5', • с<и(2я-/<^)),

где 5/ - коэффициент 1-й компоненты, компенсирующий неравномерность частотной характеристики акустического излучателя (динамической головки).

Проведенные исследования показывают, что сигнал на входе радиотехнического обнаружительного комплекса представляет собой ЧМ сигнал с малым индексом модуляции со случайными начальными фазой и амплитудой:

¡(а, (р, ¡) = а соз[а)01 + ф (I) - <р], где й>0 - частота сигнала;

параметр а, определяющий огибающую амплитуды сигнала, полагается случайной величиной, распределенной по закону Рэлея:

Это утверждение справедливо, поскольку объект поиска, рассеивающий высокочастотное поле, можно представить в виде большого количества статистически независимых излучателей. Фаза <р распределена равномерно

( Р(<Р) = У2я > "Ри 0 < р < 2/Т ).

Структурная схема обнаружителя приведена на рисунке 9. :

ПФ2 -

X

"Г

МНо"{щ рш) ,\ЧЬ"Н<'',1 ЦЧ)

л.

и

X

X

■ К'А'" <гОИ АОЬкЧЫ ,>ОН

Л.

X

X

X

ПУ1

ПУ2

ПФ М'К'»!"*! Г11» 20 к ПУ

N А0ш(Щ 0111 N

Схема выбора

к ПК —►

Рис.9

Данный обнаружитель представляет собой N корреляционных схем с двумя квадратурными каналами каждая, настроенные на свою частоту Р„. Наличие двух каналов обусловлено отсутствием сведений о начальной фазе сигнала. При двух квадратурных каналах, результат обработки г0 не зависит от начальной фазы <р сигнала.

На входе обнаружителя присутствуют шумовые составляющие, обусловленные паразитными источниками акустического излучения, рассеяния на траве и листве, колеблющихся под воздействием ветра, а значит, на основании центральной предельной теоремы, сигнал на входе оптимального обнаружителя представляет собой случайный процесс у(<р,0 = £0) с законом

распределения близким к нормальному с нулевым математическим ожиданием в случае отсутствия объекта в зоне поиска или функцией Р(2\и((р,1) + Е,(1)), зависящей от характера объекта, в случае присутствия смеси шума с полезным сигналом у((р, /у) = $((р, 1) + £,(1).

При этом шумовой процесс характеризуется корреляционной функцией

где Ы0 - константа, характеризующая спектральную плотность мощности шума,

3(1) - дельта функция.

Сигнал обнаружения формируется схемой в случае превышения принятой реализацией случайного процесса порога И. Вероятность ложного обнаружения, равная вероятности превышения порогового уровня Л при условии отсутствия сигнала, определяется соотношением:

7 2Г«А) "

2

г

где Ъ - корреляционный интеграл. 2 = | у(<р, Г.

о

т

Е1 - энергия сигнала. = .

о

Ц = д, ^ у - модифицированный порог обнаружителя.

° /2

Семейство графиков Р(}\) при различной дисперсии шума на выходе обнаружителя приведены на рисунке 10.

Вероятность правильного обнаружения: й=)—

1КЕ. +2£.2сг2

Вероятность пропуска цели:

* о 7 -г *Е- о 7

¡2Е

где <7 = - коэффициент различимости; V о

Я(Ь'Ч) - (^-функция Маркума (интефальное распределение Рэлея-Райса), заданное выражением (2(И,д) = \1е 2 J0(tq)dí.

Семейство графиков вероятности правильного обнаружения как функции от соотношения сигнал/шум при различных значениях вероятности ложной тревоги при а = 0,5 приведены на рисунке 11.

Рис. 10

Рис.11

Анализ приведенных зависимостей показывает, что для достоверного обнаружения необходимо иметь коэффициент различимости (отношение энергий сигнал/шум на входе приемника, при котором обеспечивается прием сигналов с заданными параметрами) не ниже 10. Это требование легко выполняется при введении в схему устройства фильтра высоких частот (с частотой среза равной минимальной рабочей акустической частоте 200 Гц) при условии, что геометрические размеры объекта не меньше длины волны зондирующего СВЧ излучения.

Движение обнаружительного комплекса негативно влияет на величину фиксируемого обнаружителем сигнала, и как следствие на вероятностные характеристики обнаружения, при фиксированных характеристиках исследуемого объекта. Исходя из диаграммы направленности антенн и высоты их подвеса следует, что скорость движения комплекса при самом неблагоприятном исходе (когда объект находится у поверхности земли) должна быть не более К=0,32 м/с. При этом доплеровский сдвиг частот в спектре принятого сигнала за счет движения комплекса будет равен:

А = /„

1--

1-

= /о

С

V ■ вт(У/~ )

1-

где/о - несущая частота колебаний,

У„ - компонента вектора скорости, нормальная по отношению к оси движения обнаружительного комплекса, с - скорость света,

у - ширина диаграммы направленности антенн по уровню -3 дБ.

Для нашего случая, при /0=ЗГГц, У=0,32 м/с, ^ = 20', будем иметь Д = 1,1 Гц.

В случае удаления от объекта, результат будет такой же, но с противоположным знаком.

Таким образом, погрешность вносимая движением комплекса, составляет 0,54% для нижнего значения акустических частот и 0,021% для верхней частоты, что соизмеримо с погрешностью установления частоты, а значит ею можно пренебречь.

В заключении подведены результаты работы, к которые можно отнести:

1. Обоснован метод решения задачи поиска тонкостенных объектов, находящихся в укрывающих средах.

2. Разработан алгоритм электромагнитного моделирования. Особенностью данной модели является её расширяемость, и возможность перехода от простейших рассеивающих элементов (цилиндр, параллелепипед, плоскость) к более сложным моделям, состоящим из комбинаций этих элементов.

3. Доказана адекватность математической модели рассеяния СВЧ поля металлическим и диэлектрическим тонкостенными цилиндрами, возмущенными акустическими волнами, при сравнении результатов моделирования как с экспериментальными данными, так и при сопоставлении данных, полученных в результате моделирования одних и тех же объектов, но изготовленных из различного материала.

4. На основании проведенных исследований разработана структура радиотехнического комплекса обнаружения объектов. Показано, что использование данного комплекса позволяет повысить разрешающую способность для тонкостенных объектов (труб, кабелей) на 33% по отношению к существующим РКОСО при аналогичной глубине обнаружения

5. Произведен выбор программных и аппаратных средств, позволяющих наиболее эффективно организовать информационную среду системы радиомониторинга для решения задач обнаружения объектов в укрывающих средах.

6. Разработана методика обнаружения и идентификации скрытых объектов. Определены зависимости характеристик обнаружения от высоты подвеса антенны, скорости движения, размеров и типа самого объекта, параметров обнаружителя.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ РАБОТ

1. Кучин С.И. Методы радиомониторинга подстилающей поверхности земли / Кучин С.И., Никитин O.P.: сб. тезисов и докладов / VII Международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии. ФРЭМЭ'2008», 2-4 июля 2008 г.- изд. ВлГУ.- Владимир,- 2008 г,-Т. 2. - С. 249-253.

2. Кучин С.И. Обнаружение скрытых тонкостенных объемов электромагнитно-акустическим методом / С.И. Кучин, O.P. Никитин: сб. тезисов и докладов / III научно-техническая конференция аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технологии. Безопасность. Управление.», 1518 апреля 2008г.- изд. KITA.- Ковров,- 2008г.- Ч. 3,- С. 128-132.

3. Кучин С.И. Радиотехническая система обнаружения скрытых под землей объектов / С.И. Кучин, O.P. Никитин: сб. тезисов и докладов / V научно-техническая конференция аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технологии. Безопасность. Управление.», 12-16 апреля 2010г.- изд. КГТА.-Ковров.- 2010г.- Ч. 3,- С. 92-96.

4. Кучин С.И. Модель электромагнитно-акустического метода поиска захороненных объектов / С.И. Кучин, O.P. Никитин // Методы и устройства передачи и обработки информации: межвузовский сборник научных трудов.-СПб: Гидрометеоиздат,- 2007г.- Вып. 9.- С. 112-115.

5. Кучин С.И. Обнаружение скрытых объектов электромагнитно-акустическим методом / С.И. Кучин, O.P. Никитин // Методы и устройства передачи и обработки информации: межвузовский сборник научных трудов.-СПб: Гидрометеоиздат,- 2006г.- Вып. 7.- С. 35-38.

6. Кучин С.И. Модель электромагнитно-акустического метода для поиска захороненных объектов / O.P. Никитин, С.И. Кучин // Известия Института Инженерной Физики .-2008г.- №3,- С. 36-38.

7. Кучин, С.И. Анализ факторов, влияющих на качество обнаружения скрытых объектов / С.И. Кучин, O.P. Никитин: труды конференции / II Научно-практический семинар «Прикладные вопросы формирования и обработки сигналов в радиолокации, связи и акустике», 28 июня - 1 июля 2010 г.Муром.- С. 9-11.

Подписано в печать 17.11.2011г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл. п.л. 1,25. Заказ № 3018. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета в AHO «Типография на Нижегородской» 600020, Б. Нижегородская, 88-Д. Тел. (4922) 322 161

61 12-5/1294

владимирским государственный университет имени

александра григорьевича и николая григорьевича

столетовых

На правах рукописи

Кучин Сергей Игоревич

ОБНАРУЖЕНИЕ ОБЪЕКТОВ В УКРЫВАЮЩИХ СРЕДАХ АКУСТО-ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Никитин О.Р.

Владимир - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................- 5 -

ГЛАВА 1. НАЗНАЧЕНИЕ, СТРУКТУРА И ВОЗМОЖНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ПОИСКА СКРЫТЫХ ОБЪЕКТОВ..............- 10 -

1.1. Магнитометрический метод обнаружения ферромагнитных объектов в грунте и воде..............................................................................-101.2. Индукционный метод обнаружения металлических объектов.........- 15 -

1.3. Сверхвысокочастотное зондирование полупроводящих сред..........- 17 -

1.4. Метод механического зондирования грунта.......................................- 21 -

1.5. Магнитотеллурическое зондирование.................................................- 221.6. Метод наклонной фокусировки...........................................................- 25 -

1.7. Радиовиброакустический метод...........................................................- 29 -

1.8. Параметрические методы обнаружения малоразмерных объектов. - 32 -

1.9. Акустическо-электромагнитное зондирование..................................- 39 -

Выводы...........................................................................................................- 41 -

ГЛАВА 2. АКУСТИЧЕСКОЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОЛН..........................................................................- 49 -

2.1 Постановка задачи..................................................................................- 49 -

2.2. Акустическое возмущение твердого цилиндра..................................- 52 -

2.2.1. Математическое описание смещения.........................................- 52 -

2.2.2. Описание радиального смещения................................................- 57 -

2.3. Рассеяние электромагнитных волн от вибрирующего диэлектрического круглого цилиндра........................................................- 60 -

2.3.1. Аналитические решения для ТМ-волны....................................- 60 -

2.3.2. ТЕ (нормально поляризованная) волна......................................- 68 -

2.3.3 Акустическое воздействие.............................................................- 71 -

2.3.4. Флуктуация диэлектрической постоянной................................ - 74 -

2.3.5. Анализ результатов математического моделирования рассеяния ЭМ волн на диэлектрическом круглом тонкостенном цилиндре.....- 75 -

2.4. Рассеяние электромагнитных волн от вибрирующего тонкостенного

металлического круглого цилиндра............................................................- 83 -

2.4.1. ТМ-волна.........................................................................................- 83 -

2.4.2. ТЕ-волна..........................................................................................- 86 -

2.4.3. Математическое моделирование рассеяния СВЧ электромагнитного поля от возбужденного металлического цилиндра акустическими волнами...........................................................................- 89 -

Выводы...........................................................................................................- 95 -

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО РАССЕЯНИЯ......................- 96 -

3.1. Планирование эксперимента................................................................- 96 -

3.2. Разработка экспериментальной установки для проведения исследований.................................................................................................- 98 -

3.3. Результаты экспериментальных исследований................................- 101 -

Выводы.........................................................................................................- 105 -

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ОБЪЕКТОВ И МЕТОДИКИ ЕГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ.......................................................................................- 107 -

4.1. Факторы, определяющие качество обнаружения скрытых

объектов.......................................................................................................- 107 -

4.1.1. Классификация объектов поиска................................................- 109 -

4.1.2. Факторы, определяющие эффективность обнаружения.........-109 -

4.2 Организация приемо-передающего СВЧ и акустического излучающего

трактов.............................................................................................................- 114 -

4.2.1 Отражение и прохождение плоских волн на границе двух сред при наклонном падении........................................................................................-1144.2.2. Выбор источника акустических волн........................................-1184.2.3. Выбор антенного устройства......................................................-1184.2.4. Влияние скорости обнаружительного комплекса на характеристики обнаружения.......................................................................-118-3 -

4.3 Структурная схема обнаружительного комплекса............................- 124 -

4.3.1. Структура обнаружителя.............................................................- 126 -

4.3.2 Определение качественных характеристик обнаружения........- 130 -

Выводы........................................................................................................- 134 -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................-136-

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА.........................................................- 137 -

Приложение 1. Методика проведения эксперимента.................................- 148 -

ВВЕДЕНИЕ

Анализ аварийных ситуаций, имевших место при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных коммуникаций и сооружений, показывает, что одной из причин аварий является недостаточная изученность инженерных условий строительной площадки и несоответствие местоположения и высотных отметок действующих инженерных подземных коммуникаций имеющейся топографо-геодезической и инженерно-геологической информации. При этом информация о существующих подземных коммуникациях часто является неполной и устаревшей. Для снижения числа повреждений подземных коммуникаций при проведении строительных работ необходимы современные методы обнаружения подземных трасс трубопроводов различного назначения, кабельных магистралей и регистрация их в специальных кадастрах.

Также не решена проблема, с которой человечество вошло в третье тысячелетие - обнаружение скрытых захоронений промышленных отходов. По подсчетам экономистов, на современном уровне развития технологии 9% исходного сырья в конечном итоге уходит в отходы. В химической отрасли доля токсичных отходов выше: от 10 до 20% [98]. Особенно острой данная проблема стала в связи с дефолтом 1998 года и кризисом в 2008 году. Захоронение на свалках считается наиболее экономичным методом удаления вредных промышленных отходов, чем и пользовались многие предприятия для снижения затрат. Часто такие свалки организовывались несанкционированно, в ближайших лесах.

Для обнаружения и идентификации скрытых под земной поверхностью объектов были разработаны специальные радары. В задачи их применения входят: обнаружение закопанных труб и кабелей, обнаружение неразорвавшихся снарядов, а также военное и гражданское разминирование.

За последние более чем 30 лет решены фундаментальные вопросы теории переноса излучения в атмосфере, созданы высокочувствительные радары

СВЧ. Значительный вклад в разработку методов мониторинга укрывающих сред и обнаружения скрытых в них объектов внесли Г.Н. Щербаков, М.А. Анцилевич, A.B. Ковалев, А.Н. Тихонов, М.Н. Бердичевский, O.P. Никитин, R.O. Harger, D.E. Lawrence, К. Sarabandi, S.O. Rice, G.S. Agarwal, Q.A. Naqvi, A.A. Rizvi. Выполненные исследования показывают принципиальную возможность методов мониторинга земной поверхности.

Возможности обнаружения некоторых захороненных объектов сильно снижаются из-за низкого диэлектрического контраста между данными объектами и фоном почвы. Это особенно ощущается на противопехотных минах, которые состоят, главным образом, из пластмассы. Для увеличения вероятности правильного обнаружения без увеличения ложных тревог, для идентификации должны применяться признаки, которые являются характерными для интересующих нас объектов. Один из таких параметров -это электромагнитный (ЭМ) доплеровский спектр сигнала, рассеянного от механически вибрирующего объекта. Использование оборудования, основанного на вышеуказанном принципе повышает возможности систем обнаружения, но требует проведения дополнительных исследований связанных с моделированием природных сред, интерпретацией результатов измерений, разработкой алгоритмов принятия решений, методик применения комплексов для решения конкретных народно-хозяйственных задач.

Актуальность работы определяется необходимостью разработки новых организационно-технических решений, позволяющих обеспечить поиск скрытых в земной поверхностью объектов, и принятие на этой основе управляющих решений по поддержанию заданного уровня безопасности персонала и окружающего населения.

Предметом исследования является метод обнаружения объектов в укрывающих средах, основанный на взаимном использовании электромагнитных и акустических волн.

Объектом исследования является радиосистема обнаружения скрытых под землей тонкостенных объектов.

Цель диссертационной работы - разработка методологии построения и использования радиотехнического комплекса обнаружения тонкостенных металлических и диэлектрических объектов, находящихся в укрывающих средах.

Для разработки системы обнаружения скрытых объектов электромагнитно-акустическим методом требуется решение следующих задач:

- разработка электродинамической модели падающих и рассеянных полей в задачах дистанционного зондирования природных сред и укрытых в них тонкостенных цилиндрических объектах;

- математическое моделирование и экспериментальные исследования рассеянного объектами мониторинга доплеровского поля;

- обоснование выбора структуры комплекса обнаружения и параметров СВЧ и НЧ трактов;

- разработка методики и рекомендаций по использованию и построению комплексов идентификации и дискриминации на основе совместного использования электромагнитного и акустического полей.

Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось на основе методов электродинамики, системного анализа, теории вероятности, моделирования и экспериментальных исследований с использованием новых информационных технологий получения знаний об объектах поиска.

Научная новизна результатов заключается в том, что:

1. Разработана электродинамическая модель рассеянных полей, несущих информацию о доплеровских спектральных составляющих в задачах зондирования природных сред электромагнитно-акустическим методом.

2. Разработана структурная организация радиотехнического комплекса обнаружения скрытых объектов (РКОСО) и определены его метрологические характеристики.

3. Разработан научно-методический аппарат, позволяющий обосновать принимаемые решения по обнаружению скрытых тонкостенных объектов, основанные на анализе спектра электромагнитного колебания, рассеянного акустически возмущенным объектом поиска с использованием РКОСО.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:

1. На основе метрологического анализа РКОСО, в зависимости от параметров и скорости движения измерительного комплекса, построена библиотека математических и экспериментальных моделей для различных скрытых объектов, что является базой для построения методики идентификации обнаруженных скрытых тонкостенных объектов. Показано, что использование данного комплекса позволяет повысить разрешающую способность для тонкостенных объектов (труб, кабелей) на 33% по отношению к существующим РКОСО при аналогичной глубине обнаружения.

2. Разработаны рекомендации по применению РКОСО для проведения поиска и идентификации тонкостенных объектов, находящихся в укрывающих средах.

3. Возможности поиска труб и кабелей повышаются вдвое за счет способности обнаружения как металлических, так и неметаллических объектов.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Электродинамическая модель полей, рассеянных от акустически возмущенного объекта в задачах зондирования природных сред.

2. Методика обнаружения скрытых объектов, основанная на анализе электромагнитного доплеровского поля, рассеянного объектом поиска.

3. Методика и рекомендации по построению радиотехнического комплекса обнаружения скрытых объектов и определение его метрологических характеристик в зависимости от технических параметров и динамики движения по укрывающей поверхности.

Реализация и внедрение результатов диссертации. Результаты исследований использовались в виде математических моделей и алгоритмических средств при разработке проекта комплекса обнаружения скрытых объектов в ОАО «Владимирское конструкторское бюро радиосвязи».

Материалы работы использованы в учебном процессе ВлГУ кафедрой Радиотехники и Радиосистем для специальностей 210301 «Радиофизика и электроника» и 210302 «Радиотехника», направления 210400 «Радиотехника».

Апробация диссертационной работы проведена в форме научных докладов и дискуссий по основным результатам диссертационных исследований на следующих конференциях и семинарах:

- VII международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии ФРЭМЭ'2008», Владимир, 2008г;

- III и V научно-технических конференциях аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление.» Ковров: КГТА, 2008 и 2009 гг.;

- II Всероссийском научно-практическом семинаре «Прикладные вопросы формирования и обработки сигналов в радиолокации, связи и акустике», Муром, 2010г.

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, включая статью в издании, входящем в перечень ВАК и получено одно положительное решение о выдаче патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, насчитывающего 111 наименований. Работа изложена на 150 страницах и содержит 42 рисунка и 5 таблиц.

ГЛАВА 1. НАЗНАЧЕНИЕ, СТРУКТУРА И ВОЗМОЖНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ПОИСКА СКРЫТЫХ ОБЪЕКТОВ

Известны следующие методы обнаружения скрытых объектов в природных средах [ 1 ]:

• магнитометрический;

• индукционный;

• сверхвысокочастотное зондирование;

• механическое зондирование;

• электрический контактный;

• сейсмоакустический;

• магнитотеллурический;

• биофизический и др.

Наибольшее практическое значение имеют первые четыре метода.

1.1. Магнитометрический метод обнаружения ферромагнитных объектов в грунте и воде

Магнитометрический метод позволяет зафиксировать пространственные искажения магнитного поля Земли, создаваемого ферромагнитным объектом поиска. Обнаружение диэлектрических (пластмассовых, деревянных и т.п.), а также диамагнитных (дюралюминий, золото, серебро, бронза и т.п.) объектов с использованием этого метода невозможно. Однако обнаружение локальных ферромагнитных объектов возможно практически в любых естественных укрывающих средах (глинистых и песчаных грунтах, пресной и морской воде, льдах и т.д.) на значительных глубинах. Такими объектами являются: стрелковое, старинное огнестрельное и холодное оружие, невзорвавшиеся авиабомбы и артиллерийские снаряды, большинство инженерных противотанковых, противодесантных и противопехотных мин, стальные нефте- и газопроводы и т.д.). В то же время использование переносной аппаратуры на основе этого метода внутри или вблизи современных

сооружений (зданий, мостов, аэродромных покрытий и т.д.) затруднено из-за мешающего влияния стальных элементов в их конструкциях (арматуры, балок, труб и т.д.). Иногда и в горной местности, богатой металлосодержащими рудами, использование магнитометров затруднено.

Стационарные и квазистационарные магнитные поля измеряют, как правило, с помощью следующих приборов:

• протонных магнитометров [2, 3];

• датчиков Холла [2, 4];

• волоконно-оптических датчиков с лазерной накачкой [5];

• феррозондовых приборов [6].

В полевых условиях наиболее широко применяются феррозондовые приборы, характеризующиеся не только высокой чувствительностью и точностью, но и возможностью непосредственного измерения составляющих вектора магнитного поля (обеспечивая тем самым получение полной информации о структуре поля и его источниках), пригодностью для работы в очень слабых магнитных полях, в широком температурном диапазоне, высокой надежностью, долговечностью и низкой стоимостью. Собственные шумы новейших феррозондовых приборов находятся сейчас на очень низком уровне порядка 10"12 ТлТц"0'5 , т.е. на два порядка ниже, чем было раньше (в 60-70 гг.) [7].

Используя два феррозонда, можно создать прибор для измерения разности индукций магнитного поля в двух точках пространства. При этом прибор называют магнитным градиентометром. Для градиентометра, имеющего, как правило, малую базу измерения, можно принять

ЛВ ^дВ

где / - длина базы,

В - индукция магнитного поля.

Такой прибор фактически содержит два канала магнитометра, причем один из них используется для компенсации однородной части поля Земли в

объеме двух феррозондов. Этот прибор целесообразно использовать для поиска локальных ферромагнитных объектов, расположенных в толще немагнитной среды (грунте, воде). При первом приближении максимальную дальность обнаружения ферро�