автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование методов обработки сигналов в задачах подповерхностного зондирования электромагнитными импульсами

НИЖЕГОРОДСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.317:550.837.76

ТЕРЕШЕНКОВ Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ЗАДАЧАХ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

15.11.13,- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Я

Нижний Новгород 1998

Работа выполнена в Нижегородском государственном.техническх» университете.

Научные руководители: доктор технических наук A.B. Андриянов

доктор технических наук,

профессор

Ю.К. Богатырев

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Рябинин Юрий Александрович

кандидат технических наук Ковалев Игорь Павлович

Ведущее предприятие - Правдииский завод радиорелейной . аппаратуры (ПЗРА)

Защита состоится "22" октября 1998 г. в 15 час. На заседании специализированного Совета Д 063.85.03 Нижегородского Государственного Технического Университета по адресу : 603600, г. Нижний Новгород, ГСП - 41, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГГУ.

Автореферат разослан "22" сентября 1998 г.

Ученый секретарь спецналит ронянного Совета кандидат технических наук

А Н. Сало в

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Метод зондирования электромагнитными импульсами принадлежит к числу важнейших методов исследования природной ;реды. Посредством подповерхностного зондирования обнаруживают скрытые в глубине объекты, измеряют толщины подповерхностных слоев, получают структурные и электрические характеристики сред. Локация этим методом может применяться для определения толщины дорожных покрытий и насыпей, местоположения газо- и водопроводных труб, энергетических кабе-пей, нахождения пустот, туннелей, грунтовых вод, использоваться в разведочной геофизике, в дефектоскопии материалов и изделий.

Эффективность работы подповерхностных радаров во многом опреде-няется алгоритмами и методами обработки информации, заложенными в их программном обеспечении. Разработка этих алгоритмов и методов, их практическая реализация, исследование и доработка являются актуальными задачами. !

Потери и искажения сигналов в диэлеюрических слоях не позволяют использовать традиционные радиолокационные системы и методы обработки информации для задач подповерхностного зондирования.

Многие известные методы обработки информации при подповерхностном зондировании не позволяют достаточно эффективно решать задачи обнаружения, локализации и идентификации подповерхностных объектов, по-лсольку не учитывают многослойность и диэлектрические свойства слоев :ред. Поэтому методы, нашедшие широкое применение в ряде промышленно выпускаемых подповерхностных радаров и использующиеся для анализа принятой информации, требуют существенной доработки, исследования и развития.

В связи с этим, актуальны задачи разработки методов обработки информации при подповерхностном зондировании, позволяющих эффективно решать задачи обнаружения, локализации и идентификации подповерхностных объектов; алгоритмизации и практической реализации этих методов.

Цель работы заключается в разработке и исследовании методов, мо-1елей и алгоритмов обработки информации при подповерхностном зондировании, в программной реализации этих моделей и методов.

1 (аучная новизна работы состоит в следующем:

1. Применительно к задачам подповерхностного зондирования разработана новая математическая модель прохождения и отражения элекгромаг-4итмых сигналов в слоистых средах с потерями.

2. Разработаны алгоритмы формирования отраженных сигналов от эбъешов в слоистых средах с потерями.

3. Разработано ггрограммное обеспечение, позволяющее моделировать этклик объектов, находящихся в слоистой среде с потерями, на электромагнитные зондирующие сигналы.

4. Разработаны метод и алгоритм синтеза апертуры, учитывающие па раметры слоистой подповерхностной среды и повышающие разрешающук способность подповерхностного радара по продольным координатам.

5. Разработаны метод и алгоритм инверсной фильтрации с ка либровкой аппаратной функции подповерхностного радара по проводят» сфере, повышающие разрешающую способность по глубине.

6. Разработ аны метод и алгоритм нелинейного динамического кванте вания сигнала цветовой гаммой, увеличивающие эффективность отображени информации при подповерхностном зондировании и позволяющие выделят контура подповерхностных слоев и объектов.

7. Разработан программный пакет обработки информации под поверхностного радара, позволяющий локализовывать подповерхностны объекты в слоистых средах с потерями, выделять контура подповерхностны: объектов и границ раздела слоев среды.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе разработанных и исследованных в диссертации методов моделей и алгоритмов обработки данных при подповерхностном зондировании, разработан программный пакет обработки геофизических данных "Geo-Data for Windows", используемый для обработки информации, получаемой подповерхностными радарами. Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом ФЦП "Интеграция" Нижегородского государственного технического университета, НИР, ОКР Нижегородского научно-исследовательского приборостроительного института (ННИГ1И) "КВАРЦ", НТП "ТЕНЗОР", Правдинского завода радиорелейной аппаратуры (ПЗРА). Разработанное программное и аппаратное обеспечение прошло экспериментальную апробацию и нашло практическое применение в городах: Н. Новгород, Правдинск, Москва, Саратов, Чита.

Достоверность результатов подтверждается адекватностью полученных математических выражений изучаемым физическим процессам, соответствием результатов моделирования реально измеряемым данным, проведенным! экспериментальными исследованиями с последующей статистической обработкой полученной информации.

На защиту выносится

1. Математическая модель прохождения электромаг нитных сигнало1 и слоистых, средах с потерями.

2. Метод повышения точности определеш(я местоположения объектен но гл>6ине при 'подповерхностном зондировании слоистых сред.

3. Метод и алгоритм синтеза апертуры, учитывающие параметрь слоистой подповерхностной среды.

4. Метод и алгоритм инверсной фильтрации с калибровкой ап паратной функции подповерхностного радара но проводящей сфере.

5. Метод и ал! оригм нелинейного динамического квантования сигнал; цветовой гаммой; выделение контуров подповерхностных слоев и объектов.

6 Результаты моделирования отражений сигналов от слоистой среды.

7. Результаты проведенных экспериментальных измерений.

8. Результаты использования разработанного программного обеспечения подповерхностного радара для решения практических задач.

Апробация работы. Основные научные положения и технические аспекты диссертации были отражены в докладах на Региональной научло-iехннческой конференции "Методы и средства измерений физических величин" ( г. Н. Новгород, 1996 г. ), 1 4-ой Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (г. Москва, 1996 г.), Всероссийской конференции "Высокие технологам в радиоэлектронике" (г. Н. Ноигород, 1996 г.), Научно-технической конференции "Проблемы повышения эффективности вооружения, военной техники и подготовки специа-пистов в интересах войск ПВО" (г. Н. Новгород, 1997 г.), Мездународном конгрессе CXTOGIC'98 " Новые высокие технологии для газовой, нефтяной промышленности энергетики и связи" ( г. Казань, 1998 г.) и опубликованы в работах [1 - 9].

Разработанный на основе диссерт анионной работы программный пакет "Geo-Data for Windows" многократно ji успешно использовался при проведении нолигонных испытаний и реальных измерений различными комплексами подповерхностных радаров.

Публикации Основные аспекты и результаты диссертации опубликованы в 9 работах, из них 5 статей и 4 опубликованных тезисов докладов на научно - технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения; содержит 140 стр. машинописного текста, включая библиографию из 75 наименований, 45 рисунков, 12 таблиц, 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформули-эованы ее цель, практическая значимость, научная новизна и основные поло-тения, выносимые на защиту.

Во введениях к главам определяется круг рассматриваемых в них вопросов. В заключениях к главам кратко сформулированы основные результаты и выводы.

Первая глава посвящена анализу существующих методов обработки «формации при подповерхностном -зондировании сред. В ней описаны мо-;ели,.учитывающие свойства однородных сред, приведен возможный подход с моделированию отражений от простейших объектов, расположенных в ханородной среде.

Рассматриваемый в диссертации комплекс подповерхностного радара рис.1), разработанный с участием соискателя, предназначен для зондированы различных сред (почвогрунтов, дорожных покрытий, стен и т. п.) элек-ромагнитными импульсами малой длительности как в лабораторных, так и юлевых условиях. Комплекс состоит из блоков: регистратора, генератора (мпульсов, преобразователя)! антенн, связанных с ПЭВМ типа Notebook

S

посредством интерфейса 115-232. Измерения проводятся при последовательном перемещении блока антенн параллельными -трассами на участке зондирования.

1$ главе указаны основные технические характернее нки разработанного комплекса радара и других существующих систем подповерхностного зондирования; проведен анализ существующих методов обработки информации при подповерхностном зондировании, отражена их специфика, укачаны недостатки этих методов.

На основании проведенного анализа поставлены следующие задачи дальнейших теоретических и экспериментальных исследований:

1.' Разработка математической модели прохождения и отражени: электромагнитных сигналов в слоистых средах с потерями, позволяющи? учитывать такие параметры, гак влажность, температуру, соленость, плот ность н толщину слоен подповерхностных сред.

2. Разработка алгоритмов формировали»! отраженных от объекте) сигналов в слоистых средах с потерями.

3. Разработка метода синтеза алертуры. учитывающего параметрь слоистых средах и повышающего разрешающую способность подповерхно стного радара по продольным координатам.

4. Разработка метода инверсной фильтршиш сигналов, повышающей разрешающую способность по глубине, на основе определения алпаратно) функции радара по проводящей сфере.

5. Разработка программы моделирования слоистых средах с потерям! и проверка на ней -эффективности ра зработанных методов и алгорит мов

6. Разработка на основе предложенных алгоритмов пакета програмл обработки информации подповерхностного радара, позволяющего «снаружи кать и локализоиынать подповерхностные объекты

7. Экспериментальные исследования эффективности предложенны? методов обработки информации подповерхностного радара.

Вторая глава диссертации посвящена разработке математических моделей, позволяющих рассчитать сигналы, отраженные от диэлектрических слоев и подповерхностных объектов Целью моделирования ставится формирование сигналов, приближенных к реальным, получаемых при подповерхностном зондировании.

При моделировании не учитывается сферичность волны и расчеты про годятся в приближении плоских волн. Амплитудные потери сигнала, связан иые со сферичностью волны и поглощающими свойствами сред компенсируются при регистрации с помощью временной авто.матлческтн "регулировки усиления.

Вртб&и 2.1 рассм;п рпнается отражение сигналов ог слоистых сред.

Получены выражения для нахождения коэффициента отражения о-слоистой структуры при зондировании с воздушной среды.

, Г

Г? =-'■- " V ' (2)

I - > ■

. '.■..,.- /V ¡'п. (?)

где /^1,/ - общий коэффициент отражения от структуры в «-слоев, не считая воздушной границы; / 0„ - искомый общий коэффициент отражения от структуры в «-слоев, включая воздушную границу; /?0 - высота воздушног о слоя.; 2 ■ двойная задержка сигнала в слое г.

. . • /г

г = е с (4)

7

/= 1,2,...//-1;

/ , 1 - коэффициент отражения от /'+1 слоя, /) - коэффициент отражения от /'-ой границы; Л„ - толщина и диэлектрическая проницаемость слоя / соответственно. Коэффициенты I) определяются диэлектрическими проницаемостя-м(11-го » /'-I слоев:

/:- 'г"1 . '=1,2,...,.. (5)

При расчете коэффициента отражения отсчет ведется от нижней границы слоистой среды. Считается, что подповерхностный слой, следующий ча этой границей, имеет бесконечную протяженность.

Зондирующий сигнал, формируемый генератором импульсов, аппроксимируется следующим выражением:

[ 2 Г я'О (2

. 5(0 = 8,п I г'Я'Ч т)> ' - т , (6)

(о, (■ г

где Т- длительность зондирующего сигнала.

Учет формы зондирующего сигнала х(() при формировании отраженного сигнала производится путем умножения спектра сигнала я(1) на коэффициент отражения/"),.:

& 0(4 ХОФ^/си). (7)

I (отерп в слоистой среде учтены подставкой в выражения (4), (5) комплексных диэлектрических проницаемостей (КДП) каждого из слоев среды.

В качестве среды рассматривается увлажненный почвогрунт, производится расчет КДП его слоев. При расчете КДП соленой воды в слое используется модель Дсбая, дополненная компонентой, учитывающей проводимость:

-» •> ' I I + д>4

- ¿"со,) О-, Ч 2

1 + со" т,„ (■Ось

(8)

где с«» - диэлектрические проницаемости соленой воды в /-ом слое на низких и высоких частотах, = 4,9,г^ - время релаксации молекул соленой воды в /'-ом слое, а, - проводимость соленой воды в /-ом слое, £/, ~ 8,85'10"!2 ф/м-диэлектрическая проницаемость вакуума.

Выражение (8), как составляющая входит в модель Добсона (и рада соавторов) при определении КДП слоев увлажненного почвогрунта:

¿V 1 > - I* ^А» - А„, (9)

где р„с \''ц ' V, -ЛиО^/ч/100%, //20, - относительное объемное содержание воды в /-ом слое почвогрунта;

р - объемная плотность /-го слоя почвогрунта;

&

Д), - объемная плотность твердой породы /-го слоя почвогрунга,

Я„ = 2,65...2,75 г/см5;

¿'л* - кдп воды в /-ом слое, с учетом наличия растворенных минеральных добавок (8);

г^., - КДП твердой породы в /'-ом слое, г;Г , = (I + 0,44д>,)2 - 0,062; Л ¿0,05

Л= 1,09 - 0,001111,+ 0,0018Г,, П, и Г, - относительные объемные содержания песка и глины в /-ом слое почвогрунта; а = 0,65.

Модель (9) подтверждена ее авторами данными многочисленных измерений в диапазоне 1,4 -18 ГГц.

Параметры £о„ о;, находятся с учетом заданных для /'-го слоя почвогрунта: солености - х,(%о) (0 <у, - 35%о) и температуры -/,(°С). По заданным параметрам диэлектрика /-го слоя (ро„ р„ /,°С, л,%о, П,%, Г,%, Я20,%), вычисляется КДП /-го слоя (9) и подставляется в выражение (4), при вычислении коэффициентов отражения (2).

Таким образом, из выражения (7), с учетом (1 - 6), (8), (9) находится спектр снгнала, отраженного от слоистой среды с потерями, который переводится во временную область посредством преобразования Фурье.

В разделе 2.2 приведен метод расчета отраженных сигналов от подповерхностных объектов на основе приближения Кенно:

*0 = « (10) Вл ей2 2/гЬр

где А{1) - проекция "освещенной" падающей волной части поверхности тела на плоскость, перпендикулярную направлению распространения волны. Координата / отсчитывается по направлению распространения волны (но лучу).

Спектр отраженного сигнала предложено находить из выражения:

Х(1а))[Г\)п(/ю) I Г0м)7,к^т)Я0со)}, (11)

где /•'[¿•('/^-спектр зондирующего сигнала, /-^-преобразование Фурье;

1°оп0(4 - общий коэффициент отражения от л-слойной структуры, вычисляемый по выражениям (1 - 5), с учетом КДП слоев (9);

1 '(¡со) - общий коэффициент отражения от объекта в н-слойной руктуре:

я-1

ГЦв>) -1\ О) П (1 - ГНМ), (12)

и=о

где /',//>ц), определяются из соотношения (5), при подстановке в него

значения КДП объекта и слоев среды;

2 к /¡о)) - множитель, определяющий задержку снгнала от объекта в слоистой структуре;

НЦм - частотная характеристика объекта.

Применительно к сфере радиуса Л, с центром в точке[Х<ь У0, £»], для случая, учитывающего рефракцию сигнала в слоях, задержку сигнала предложено находить из выражения:

гь у и со) =

1и

Це

<1 = I

(¡~Н) ...

" Л

(13)

¡и

1+

■\2 л

¿(л, / ^7)

V

Оо->/ )'' ^

(14)

V. /=(Г

где £<) = I (зондирование производится с воздушной среды).

Н(](й) /{/)(/)], где Л(7 ) - (шлульсная характеристика сферы, которая вычисляется из известного аналитического выражения:

. 89,З^-1'7"*"[соз(19,32у -0,485)- со5(18,34<(/- 1,66)]

' 1 + 1,1- 2Лсоз(0,98^/ -1,18)

Ъ а, ¡а ,

4-2Яе л, а)

/=--1 ■

/с /Г

где £1, - полюс I - ой ветви, аХ/ - вычет в

(15)

При отсутствии аналитического описания импульсной характеристики объекта используется менее точное приближение Кенно.

В разделе 2.3 описана разработанная программа моделирования сигналов, отраженных от подповерхностных объектов в слоистых средах с потерями (на основе выражения (11)), приведены полученные результаты моделирования.

На модели проведен сравнительный анализ сигналов, отраженных от проводящей сферы, полученных при использовании выражений (10) и (15). Указаны и проиллюстрированы недостатки приближения Кенно. Профиль среды, полученный при моделировании сигнала (11), отраженного от четырех металлических сфер в слоистой среде с потерями приведен на рис.2.

Расчеты сигналов, отраженных от объектов в различных слоистых средах показали возможность использования разработанной моделирующей программы для интерпретации рефлектограмм и проверки алгоритмов обработки сигналов подповерхностного радара.

Рис. 2. Профиль слоистой среды с объектами и одна из реализации сигнала.

Третья глава диссертации посвящена разработке методов и алгоритмов обработки сигналов подповерхностного радара.

В разделе 3. / рассмотрены погрешности определения местоположения подповерхностных объектов по глубине. Указаны недостатки общепринятого подхода определения глубины:

где 1 - положение объекта по глубине, 1з - задержка сигнала в среде, -средняя диэлектрическая проницаемость среды.

Предложено при обработке информации на изображении профиля подповерхностной среды расставлять фаницы раздела слоев среды (ть, ц, тг,... гд), указывая их толщины (Аь А2, ••• Лд). Это позволяет определять диэлектрическую проницаемость каждого слоя & и задержку распространения/¿:

ск

ч

й-\

■ Ъч , /=0

О 7), (18) Н

к-мещк-иил Ъ, Л = и 2, ... /Л г де у - задержка сигнала до ¿Л I -ой границы раздела среды, Л^ - толщина сл< 1/ среды, задержка смещения сигнала, /.) - ш юло слоев в среде.

В соответствии с выражениями (17), (18) пересчет глубины предложе но производить из выражения:

' - 'смещения - ~ 1и\ , 0 . . О'

где /' - слой среды, содержащий объект, £> - диэлектрическая проницаемоеп слоя/'среды.

При абсолютно точно известных диэлектрических проницаем ост я: слоев среды использование выражения (19) позволяет полностью устранит погрешность (01), возникающую при пересчете из временных отметок глуби ны в метрические Уменьшение погрешности определения местоположени объекта по глубине (С|) в двухслойной среде, при использовании выражени (19) иллюстрирует табл. I. Верхняя часть таблицы показывает влияние н погрешность 01 изменения диэлектрических свойств второго слоя (е.>) Ни* няя отражает зависимость погрешности от увеличения расстояния до объект (от изменения задержки !>).

Таблица

к Ь. Ь. 1<)б), Ь<1 чу, Ст| для(16),

не НС м м м %

25 50 12 81 46,5 1,91 1,65 0,26 13,5

25 50 12 32 22 2,41 2,4 0,01 0,4

25 50 12 16 14 2,96 3 0,04 1,7

25 50 12 8 10 3,73 3.56 0.17 4,7

25 50 12 14 1 8 4,83 3,97 0,85 17,7

25 50 12 2 7 6.38 4,25 2,13 33,4

25 50 12 1 6,5 8,58 4,41 4,17 48,6

25 20 12 4 8 2,58 2,38 0,2 7,6

25 40 12 4 8 4,08 3,44 0,64 15,6

25 60 12 4 8 5,58 4,5 1,08 19,3

25 80 12 4 8 7,08 5,56 1,52 21.4

25 100 12 4 8 8,58 6,62 1,96 22,8

Приведенные численные расчеты показывают, что предложенный м тод позволяет значительно снизить погрешность определения местополож ния подповерхностных объект ов в слоистых средах.

В разделах 3.2, 3.3 предложены методы и алгоритмы фильтрации си налов, предназначенные для повышения разрешающей способности подги верхностного радара по продольным координатам и глубине, для устранен! искажении отраженного сигнала, улучшения отношения сигнал / шум, нахо> дения и определения формы аппаратной функции прибора. 12

Получены следующие расчетные выражения метода синтеза апертуры, читмвающего параметры слоистой среды и рефракцию сигнала в слоях жздеп 3,2):

л/-1 ы-\

5,(/х.,А'<,1'/)= £/А'тпь) , ¿,

.¿ = 1

М-1 N-1

т = - • я = — - -2 2

/= 1,2 - 1.2.1.2 ...Л*;«/- 1,2. ...О

I, ирм г^ -

!,'<10,™ ¿-) = | 0, пры (п1пк - ; О, "Р"

(20)

(21)

1ппк

2 ¿¡-о р

+ V1

I <-'

V /

(X, -т&Х)/ ^ А/'О //«/>+-£ (Л«- > -¡в»)

(22)

> -'1

Л/'О / ^ + 2 (/»„ / ,/г^)

«=1

'/•о - ь},0

1 +

\2

-тЬХ)1 ^'ер 1 /'-Г " . ЬуоЦер + Е Ли. / ^

(23) 2

07 -«ду) /

/ V6'/1 + / ^

/'/>0 =

2,/.

(24)

(25)

те /' - слой, содержащий объект, - задержка сигнала в слое среды при ' = 0 и п = 0, т^ - задержка сигнала до <ЛН-ой границы раздела среды при = 0 и я = 0,Л/р- расстояние отр-[ слоя до объекта, задержка сигнала слое </ среды при /я 0 и (или) я * 0, /д> - задержка сигнала в слое У среды рит^О и (или) 0.

При определении расст ояния по глубине используется выражение (19):

/'-I V

7_1 _ _т' I -с': . г"

к~ ¿смещения ] п I~ ' + -> [,.

а = \ у ■<■ /> = I ~ (I

(26) 13

Алгоритм синтеза апертуры, при известных толщинах или диэлектр ческих нроницаемостях слоев среды, можно зависать в следующем виде:

1) Указываются границы раздела слоев среды (т|, г2, ••■ га).

2) Указываются толщины для каждого из слоев среды (//|, ,.Ь;>) ш задаются табличные диэлектрические проницаемости сред для каждого I этих слоев (г.-,, 62,... <./>).

3) Рассчитываются недостающие параметры слоев Нг, ... //,-,), (б"ь <■

Л4( И^ 41. (

4) По формулам (20 - 25) выполняются расчеты, позволяющие син тезировать подповерхностный профиль слоистой среды.

В раМс.че 3.3 предложен метод инверсной фильтрации сигналов с ра четом аппаратной функции подповерхностного радара по проводящей сфер описывающийся следующим алгоритмом:

1) Производится калибровочное измерение сигнала х„/,(0, отраженног от проводящей сферы.

2) По формуле: С){/со) = - _ (27

/'[/{фО}]

с учетом (15), вычисляется спектр аппаратной функции подповерхностно! радара <!(/ш/ к производится его запоминание.

3) Пересчет отраженных сигналов осуществляется по формуле:

\ 0(j(О)

где -V| (t) - результат фильтрации, s(t) - принятая реализация отраженного сигн: ла, W(j¡4 - амплитудно-частотная характеристика фильтра, /'*'[•] - обратно преобразование Фурье;

- В [>aideuie 3.4 приведены результаты исследований эффективное предложенных методов. Исследования проводятся на модельных сигнала (рассмотренных в главе 2). В табл.2 представлены результаты измерений рас стояний на профиле среды для достижения заданного затухания модельног сигнала относительно эпицентров металлических сфер, полученные до и поел синтеза апертуры. Отношение Laol L,^ характеризует улучшение разрешаю щей способности подповерхностного радара по продольным координата: (L„„, Luj, - расстояния по продольной координате X от местоположения сигн: ла до эпицентра объекта, до и после синтеза апертуры, соответственно). Ка можно видеть, разрешение было улучшено в среднем в 10 раз.

• На модели проведено исследование действенности метода инверсно фильтрации. При моделировании отраженного сигнала зондирующий сигна аппроксимировался выражением:

•*(') Sin - - <'

(2Í

Т

где '/'- длительность зондирующего сигнала.

14

-2U

1 , (29

Таблица 2.

Ъ- 1 V- ха-пие Сфера I-11 = 0,01 м X« = 3 м 2,, = 0.5 м Сфера 2: Я -- 0,02 м Х<, = 6м 7Л, = 1 м Сфера 3: Я = 0,03 м Х0 = 9 м ^ 1,5 м Сфера 4: Я = 0,04 м X,, = 12 м 2<| = 2 м

дБ Цчл М Ц|«1 м 1-Я о. М ^тю.ч М Ц»с1» м

1 0,3 0,6 0,7 0,7 0,1

2 0,5 0,8 1,3 0,1 1.3

3 0,6 1 0,1 1,5 1,8

4 0,8 1,4 2 2,4. 0,2

5 0,9 0,1 1,6 1 0,2 2,3 ОД 2,8

10 1,5 2,5 1 4 0,3 5 0,4

15 2,3 0,2 ! 4 ! 0.3 6,4 0,5 6,8 0,6

20 3 0,3 5,8 | 0.7 8 0,1 10 .....1,1

25 3 1 1.5 1,9 3,1

Такое математическое представление, по сравнению с выражением (6), позволило моделировать зондирующий сигнал, учитывающий ограниченность полосы пропускания некоторых передающих антенн.

При фильтрации в выражении (28) в качестве аппаратной функции подповерхностного радара использовался зондирующий сигнал з(0, описывающийся выражением (29). а функция М'(/го) задавалась выражениями:

( /о) ) - /■'

(

Я I п О,

Ш

К

п

2 л(

Т„'

, (30)

IV ( ¡(О ) = 1:

п

0

ЛТ

Ти) '

' - ги

I ■ т-„

где Т„ - длительность формируемого зондирующего сигнала:

(31)

Результаты исследований показали, что степень повышения'разрешающей способности но глубине должна выбираться компромиссно между разрешением и допустимым соотношением сигнал /шум исходя из данных

табл. 3. ...... '

В результате проведенных исследований на базе предлагаемых методов и алгоритмов разработан пакет программ обработки информации подповерхностного радара. ■■■■'■:. •• - ^

*»

<

Таблица 3

Изменение отношения сигнал / шум при инверсной фильтрации

Л» | Усреднение 1

! Улучшение ; разрешения 1 Пи"4 не) 1,25 (Т„=3 не) 2 О н" 2 НС) 4 П'и= 1 не)

1. 1 Сигнал/Шум 50 16,6 14,7 3,6

2. ! Сигнал/Шум 26,3 6,9 4,4 4,3

3 | Сигнал'Шч'м 33.3 26,3 5,1 4,2

-4. Сигнал/(Лум 26,3 26,3 4,8 3,3

< Сигнал/Шум 21,7 18,9 4,8 3,2

6. Сигнал/Шум 20,3 > 1 5,7 3,5 3,1

Усреднение 16

Улучшение разрешения 1 | 1,25 (Т,г-4 не) 1 (Ти-3 не) 2 (Т„=2 не) 4 (Ти=1 НС)

1. Сигнал/Шум 83,3 ! 13,7 11,2 5,3

2 | Сигнал/Шум 43,5 : 15,4 5,9 6,9

3. Сигнал/Шум 43,5 , 33,3 8 5,9

4. Сигнал/Шум 33,3 | 30 8,4 5,3

Сигнал/Шум 33.3 < 26,3 7.8 3,6

Сигнал/Шум 20.3 ! 23,8 6,4 3.31

Усреднение 256

Улучшение разрешения 1 (Т„-4 не) 1,25 сг„=3 НС) 2 (Ти=2 не) 4 СГИ=1 не)

1. Сигнал'Шум 83,3 41,7 26,3 9.1

Сигн ал/Шум 66,7 27 9,2 9,1

з. Сигнал/Шум 66,7 43,5 10,4 8,8

4. Сигнал/Шум 66,7 41,7 9,8 6,9

5. С игнал/Ш^-м 33.3 38,5 9,7 5,9

о. Сигнал/Шум 33.3 34,5 9,1 5.5

1 Функция Щ/(о) задана выраженном (30). 2.-6. Функция [¥(¡(0) задана выражением (31), при к ; 2, 4, 6. N. 10 соответственно. Исходное отношение сигнал/ шум: 100 . Длительность исходного зондирующего сигнала: Т - 4 не.

, >.. Четксргая глпва посвящена экспериментальным исследованиям т практическим измерениям.

„„'. в.ракеле 4.1 приведено описание разработанного паке-га Программно I о обеспечения подповерхностного радара. '

В результате зкоисриментальных исследований предложены метод алгоритм нелинейного динамического квантования сигнала цветовой гаммо! увеличивающие эффективность цветового отображения информации пр подповерхностном зондировании и позволяющие выделять контура слоев объектов {рспОел 4.2). Отличие метода от общепринятых стационарных мете /б

дов цветового отображения сигналов заключается в динамике процесса настройки (что позволяет учесть особенности формы сигнала) и в отсутствии жесткой привязки пороговых значений цветовой гаммы к положительной и отрицательной фазам сигнала.

Таблица -4.

3. Объект 1: Объект 2: Объект 3: Объект 4: Объект 5: Объект 6:

дБ Ццо ^псл 1"ди Цюл 1 пил ю

см см см см см СМ см СМ СМ СМ см СМ

0,5 1,4 0,4 3 6 2 1,4 0,4 2.2 0,4

1 2,2 0,6 8 1,2 6 2 1,2 3 1,4

2 3 1 1,8 0,4 1,6 0,6 м 0,2 3 1,6 4 2

3 3,6 1,2 2,2 0,8 2,4 0,8 1,6 0,6 3,6 2 4.8 2,2

4 4,8 2 2,8 1 2,8 1,2 2,2 0,8 4,4 2,6 6.2 2,6

5 5,2 2,4 3,6 1,2 4 2,2 3 1 5,2 2,8 6,8 2,8

10 5,8 2,6 6,2 2,2 5,2 3 5,4 2 8,8 4 10 3,2

15 3,2 2,8 3,4 2,6 4,4 4,6

3. - затухание

_______Таблица 5.

Изменение отношения сигнал / шум при инверсной фильтрации

№ Усреднение 128

Улучшение разрешения 1 (Тн=0,5 не) 1,11 (Т„=0,45 не) 1,25 (Тм=0,4 не) 1,43 (Т„=0,35 не)

1. Сигнал/Шум 47,6 34,5 31,2 12,3

2. Сигнал/Шум 41,7 25,6 17,2 9

3. Сигнал/Шум 45,4 43,5 38,5 11,5

4. Сигнал/Шум 41,7 40 29,4 10,5

5. Сигнал/Шум 40 38,5 28,6 9,1

6. СигналЛЛум 32,3 30,3 19,6 8,1

1. Функция ¡У(/го) задана выражением (30). 2, - 6. Функция №(/со) задана выражением (31), при к = 2,4, 6,8, 10 соответственно. Исходное отношение сигнал / шум: 62,5. Длительность исходного зондирующего сигнала: Т = 0,5 не.

В разделах 4.3, 4.4 приведены результаты экспериментальных исследовании эффективности предложенных методов повышения разрешающей :пособности подповерхностного радара по продольным координатам и глубине.

В табл. 4. представлены результаты измерений расстояний по продольной «эординате относительно эпицентров металлических объектов для достиже-■шя заданного затухания сигнала, полученные до (Ьл„) и после (Ь,^ примене-1ия метода синтеза апертуры. Исследуемая среда состояла из слоев песка и -лины, содержащих неоднородные вкрапления в виде мелких камней, комков -лины и песка, - т.е. слои фунта были приближены к реальным. Объекты засполагались в разных слоях груша и на разной глубине. Анализ таблицы доказывает, что применение метода синтеза апертуры позволило улучшить зазрешакзщую способность подповерхностного радара примерно в 2 - 3 раза.

/7

Рис, 3. а) План расположения объектов на экспериментальном полигоне, б) Результат обработки данных.

В табл. 5 сведены результаты измерений отношения сигнал шум пр проведении инверсной фильтрации экспериментальных данных. В качеств функции при вычислении выражения (28), использовались выражеки

(30) и (31). Значительное уменьшение отношения сигнал/шум, ло сравненш с аналогичными измерениями на модели обусловлено меньшим значении этого отношения (сигнал / шум = 62,5) в исходных данных.

В целом, экспериментальные исследования подтверждают результат! моделирования и позволяют сделать вывод о работоспособности разработат ных методов применительно к реальным сигналам.

В ризоеле 4.5 приведены примеры практического использования разрг ботанного пакета программного обеспечения для решения эксперимент ал! ных практических задач подповерхностного зондирования. Приме использования пакета для обработки экспериментальных данных приведен н рис. 3. На рис. 3,а отражено залегание объектов на полигоне (вид сверху): I металлический стержень (арматура), длина 37,5 см, диаметр 0,8 см, помеще на глубину 11 см; 2- металлический стержень (арматура), длина 37,5 мм, ди< метр 0,8 см, помещен на глубину 11 см; 3 - металлический стержег (арматура), длина 22 см, диаметр 0,8 см, помещен на глубину 6 см, 4 - метат лический стержень (арматура), длина 22 см, диаметр 0,8 см. помещен на пп бину 6,5 см; 5 - стальной цилиндр, высота 4,5 см, диаметр 4 см, помещен ) глубину 6 см, ось направлена перпендикулярна поверхности; 6 - теннисны тар, диаметр 3,5 см, помещен на глубину 11 см; 7 - полый металлически цилиндр, длина 9.5 см, диаметр 7,5 мм, помещен на глубину 8 см, ось напрал лена параллельно поверхности; 8 - стальной лист. 17x4 см, толщина 0,05 сг помещен на глубину 17 см.

Измерения проводились параллельными трассами по Площади полит о) одно-аитеиным радаром с длительностью зондирующего сигнала 0,5 не. К 'рис.3,6 приведен результат обработки данных. Полученный результат почт полностью совпадает с априорно известным расположением объектов. От с у.

гвие двух арматурных стержней (объекты 1, 2) обусловлено их нормальным рас-оложением относительно вектора электромагнитной волны при измерении дан-ых. При обработке последовательно были использованы следующие алгоритмы: ычитание средней по трехмерному массиву реализации; синтез апертуры (20 -6); выделение контуров объектов методом нелинейного динамического кванто-ания сигнала цветовой гаммой.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Применительно к задачам подповерхностного зондирования разработа-а новая математическая модель прохождения и отражения электромагнитных тгналов в слоистых средах с потерями, на основе которой разработаны алгорит-ы формирования отраженных сигналов от подповерхностных объектов.

2. Разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать от-тик объектов, находящихся в слоистой среде с потерями, на электромагнитные лидирующие сигналы произвольной формы.

3. Разработаны метод и алгоритм синтеза апертуры, учитывающие пара-егры слоистой подповерхностной среды и повышающие разрешающую способ-эсть подповерхностного радара по продольным координатам.

4. Разработаны метод и алгоритм инверсной фильтрации отраженных сиг-алов, с определением аппаратной функции подповерхностного радара по роводящей сфере, повышающие его разрешающую способность по глубине.

5. Разработан метод, уменьшающий погрешность определения местопо-зжения объектов по глубине, использующий априорные и экспериментальные 1едения о параметрах слоев зондируемой среды.

6. Разработаны метод и алгоритм нелинейного динамического квантова-ля сигнала цветовой гаммой, увеличивающие эффективность цветового отобра-ения информации при подповерхностном зондировании и позволяющие цделять контура подповерхностных слоев и объектов.

7. Разработан программный пакет обработки информации под-/>верхностного радара, позволяющий локализовывать подповерхностные объек-.1 в слоистых средах с потерями, выделять контура подповерхностных объектов границ раздела слоев среды.

.8. Приведены результаты экспериментальных исследований, подтвер-дающих работоспособность разработанных подповерхностных радаров, мето-эв, алгоритмов и программ. Разработанное программное и аппаратное Зеспечение прошло экспериментальную апробацию и нашло практическое при-енение в городах: Н. Новгород, Правдинск, Москва, Саратов, Чита.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИ1

I. Андриянов A.B., Горячей D.M., Курамшев C.B., Писарев Б.В., Седов В.П.,

Терешенков Д.А. Аппаратно - программный комплекс для зондирования

приповерхностных слоев земли. И Приборы и техника эксперимента. - 1996.

-№5.-С. 157-158.

2. Андрнянон A.B., Терешенков Д.А. Методы и алгоритмы обработки информации при подповерхностном зондировании электромагнитными импульсами. // Вестник ВВО АТН РФ. Серия; Высокие технологии в радиоэлектронике. - 1996. - № 1(2). - С. 11 - 14.

3. Андриянов A.B., Терешенков Д.А. Программная обработка информации при подповерхностном зондировании и примеры ее применения. Ч Вестник ВВО АТН РФ. Серия: Высокие технологии в радиоэлектронике. - 1996. - Л» 1(2). - С. 15-18.

4. Терешенков ДА. Аппарата о - программный комплекс ви-деоимпулъсного радара для подповерхностного зондирования. // Вестник ВВО АТН РФ. Серия: Высокие технологии в радиоэлектронике. - 1997,- Ks 1(3). - С. 2 1-24.

5. Андриянов A.B., Терешенков Д А., Шаров H.H. Методы обработки сигналов видеоимпульсного радара. Тезисы докладов региональной НТК "Методы и средства измерений физических величин". Н. Новгород: НГГУ.- 1996. - С. 13.

6. Андриянов A.B.-, Курамшев С В., Ковалевский В.М., Терешенков Д.А. Агшаратно - программный комплекс для подповерхностного зондирования электромагнитными импульсами. Тезисы докладов 14-ой российской НТК "Неразрушающий контроль и диагностика". М'.: РОНКТД. - 1996. С.24.

7 . Андриянов A.B., Терешенков Д.А. Подповерхностные радары для локации объектов электромагнитными импульсами и их применение. Тезисы докладов НТК "Проблемы повышения эффективности вооружения, военной техники и подготовки специалистов в интересах войск ПВО". Н. Новгород: НВЗРКУ ПВО. -1997 г. - С.20 -23.

8. Андриянов A.B., Богатырев Ю.К., Терешенков Д.А. Системы электромагнитного зондирования сред при прокладке и эксплуатации нефтяных и газовых коммуникаций. Тезисы докладов международного конгресса CrrOGIC98 "Новые высокие технолопш для газовой, нефтяной промышленности энергетики и связи". Казань: CrrOGIC.- 1998 г. - (в печати, объем - 6с.)

9. Терешенков Д.А. Модель слоистой среды для задач подповерхностного зондирования. // Вестник ВВО АТН РФ. Серия: Высокие технологии в радиоэлектронике. - 1998. - № 1(5). -(в печати, объем -5с.)

Подл, кпеч.Гб.03.38 . формат 60x84 '/16-Бумага офсегиая. Печать офсетная. Уч.-изд.л. 1,0 .Тирах 100 экз. Заказ 383.

Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул.Минина, 24.

Н И Ж Е Г О Р О Д С К И И Г ОСУ Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й Т Е XI IИ Ч Е С К.И И

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ТЕРЕШЕНКОВ Дмитрий Александрович

УДК 621.31 7:550.837.76

v

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ЗАДАЧАХ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

Специальность 05.11.13. ■■ Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий,

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители доктор технических наук

Андриянов A.B. доктор технических наук, профессор Богатырев Ю.К.

Нижний Новгород -

19 9 8

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..............................................................................5

ГЛАВА I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ

ПОДПОВЕРХНОСТНОМ ЗОНДИРОВАНИИ.................... 13

- 1.1. Ретроспективный анализ и задачи обработки информации при подповерхностном зондировании........... 13

1.2. Расчет сигналов, отраженных от подповерхностных сред и объектов..................................................21

1.3. Повышение разрешающей способности по продольным координатам.........................................29

1.4. Повышение разрешающей способности по глубине.. 34

1.5. Отображение информации при подповерхностном зондировании.......................................38

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ I ...............................................................39

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ОТРАЖЕННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ЗАДАЧ

ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ...................41

2. I. Модель слоистой среды......................................41

2.1.1. Слоистые среды без потерь..........................4 1

2.1.2. Слоистые среды с потерями.........................50

2.2. Расчет сигналов, отраженных от подповерхностных объектов...............................................54

2.2.1. Объекты в однородной среде........................54

2.2.2. Объекты в слоистой среде...........................55

2.2.3. Отклик проводящей сферы в слоистой среде с

потерями...................................................5 8

2.3. Результаты моделирования .................................. 6 1

2.3.1. Описание программы моделирования сигналов, отраженных от подповерхностных объектов и слоев почвогрунта.......................................61

2.3.2. Анализ сигналов, отраженных от проводящей сферы .......................................................64

2.3.3. Результаты расчета сигналов, отраженных от подповерхностных объектов в слоистых средах.......................................................66

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2...............................................................72

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

ПОДПОВЕРХНОСТНОГО РАДАРА...............................73

3.1. Повышение точности определения глубин объектов цутем учета априорной информации о среде...........73

3.2. Метод синтеза апертуры для слоистой подповерхностной среды......................................79

3.3. Метод инверсной фильтрации с расчетом аппаратной функции по проводящей сфере..............................82

3.4. Результаты исследований предложенных методов на программной модели ...........................................84

3.4.1 Повышение разрешающей способности по

продольным координатам ............................85

3.4.2 Повышение разрешающей способности по глубине.....................................................87

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3...............................................................96

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..................98

4Л. Описание разработанного пакета программного

обеспечения.......................................................98

4.2. Метод нелинейного динамического квантования

сигнала цветовой гаммой................................... 102

'4.3. Исследование метода, повышения разрешающей

способности по продольным координатам ............ 109

4.4 Исследование метода повышения разрешающей

способности по глубине..................................... 115

4.5. Практическое использование разработанног пакета программного обеспечения для решения различных

задач подповерхностного зондирования............... 119

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4............................................................. 122'

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................... 124

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ .............................. 126

ЛИТЕРАТУРА....................................................................... 128

ПРИЛОЖЕНИ Е............................................................. 137

- 5 -ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Метод зондирования электромагнитными импульсами принадлежит к числу важнейших методов исследования природной среды. Посредством подповерхностного зондирования (ПЗ) обнаруживают скрытые в глубине объекты, измеряют толщины подповерхностных слоев (ПС), получают структурные и электрические характеристики сред. Локация этим методом может применяться для определения толщины дорожных покрытий и насыпей, местоположения газо- и водопроводных труб, энергетических кабелей, нахождения пустот, туннелей, грунтовых вод; использоваться в разведочной геофизике, в дефектоскопии материалов и изделий [1 - 9].

Эффективность работы подповерхностных радаров (ПР) во., многом определяется алгоритмами и методами обработки информации, заложенными в их программном обеспечении. Разработка этих алгоритмов и методов, их практическая реализация, исследование и доработка являются актуальными задачами [1 - 14].

Потери и искажения сигналов в диэлектрических слоях не позволяют использовать традиционные радиолокационные системы и методы обработки информации для задач ПЗ [1, 3, 5, 7, 9, 13, 15 -22].

Многие известные методы обработки информации при ПЗ [16,9-12] не позволяют достаточно эффективно решать задачи обнаружения, локализации и идентификации подповерхностных объек-

тов, поскольку не учитывают многослойность и диэлектрические свойства слоев сред. Поэтому методы, нашедшие широкое применение в ряде промышленно выпускаемых ПР (см. стр.14, 15) и использующиеся для анализа принятой информации, требуют существенной доработки, исследования и развития.

В связи с этим, актуальны задачи разработки методов обработки информации при ПЗ, позволяющих эффективно решать задачи обнаружения, локализации и идентификации подповерхностных объектов; алгоритмизации и практической реализации этих методов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью диссертации является исследование и разработка методов, моделей и алгоритмов обработки информации при ПЗ и их' программная реализация.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

- разработка моделей слоистых сред (СС) с потерями и сигналов, отраженных от объектов в СС;

- разработка методов обработки информации при ПЗ, позволяющих решать задачи обнаружения и локализации подповерхностных объектов, повышения разрешающей способности ПР по продольным координатам и глубине;

- алгоритмизация существующих и разработанных методов и практическая реализация в виде пакета программ обработки информации (ППОИ) ПР;

- экспериментальное исследование моделей и методов обработки информации на базе разработанных при участии автора Г1Р.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Использовались методы вычислительной математики, теории функции комплексного переменного, спектрально - корреляционного анализа, матричной алгебры, теорий системного и структурного программирования, основ машинной графики. Проводились программирование, машинное моделирование и расчеты, натурные экспериментальные исследования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

-применительно к задачам подповерхностного зондирования разработана новая математическая модель прохождения и отражения электромагнитных сигналов в слоистых средах с потерями;

-разработаны алгоритмы формирования отраженных сигналов от объектов в слоистых средах с потерями;

-разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать отклик объектов, находящихся в слоистой среде с потерями, на электромагнитные зондирующие сигналы;

-разработаны метод и алгоритм синтеза апертуры, учитывающие параметры слоистой подповерхностной среды и повышающие разрешающую способность подповерхностного радара по продольным координатам;

-разработаны метод и алгоритм инверсной фильтрации с калибровкой аппаратной функции подповерхностного радара по проводящей сфере, повышающие разрешающую способность по глубине;

-разработаны метод и алгоритм нелинейного динамического квантования сигнала цветовой гаммой, увеличивающие эффективность отображения информации при подповерхностном зондировании и позволяющие выделять контура подповерхностных слоев и объектов;

-разработан программный пакет обработки информации под-' поверхностного радара, позволяющий локализовывать подповерхностные объекты в слоистых средах с потерями, выделять контура подповерхностных объектов и границ раздела слоев среды.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

В диссертации решены задачи повышения эффективности обработки данных при подповерхностной локации электромагнитными импульсами малой длительности. Разработан программный пакет обработки геофизических данных "Geo-Data for Windows", конкурентоспособный на российском и мировом рынках, и используемый

для обработки информации, получаемой подповерхностными радарами.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом ФЦП "Интеграция" Нижегородского государственного технического университета; НИР,ОКР Нижегородского научно-исследовательского приборостроительного института (ННИПИ) "КВАРЦ", НТП "ТЕНЗОР", Правдинского завода радиорелейной аппаратуры (1ТЗРА).

Разработанное программное и аппаратное обеспечение прошло экспериментальную апробацию и нашло практическое применение в городах: Н. Новгород, Правдинск, Москва, Саратов, Чита.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные научные положения и технические аспекты диссертации были отражены в докладах на:

1. Региональной научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", Академии технологических наук РФ (Верхне Волжское отделение), г. Н. Новгород, НГТУ, 19 июня 1996 г.

Доклад: "Методы обработки сигналов видеоимпульсного радара".

2. 14-ой Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", Академии Народного хозяйства, г. Москва, РОНКТД, 23-26 июня 1996 г.

Доклад: "Аппаратно-программный комплекс для подповерхностного зондирования электромагнитными импульсами".

3. Всероссийской конференции "Высокие технологии в радиоэлектронике", Академии технологических наук РФ (Верхне - Волжское отделение), г. Н. Новгород, НГТУ, 8-10 октября 1996 г.

Доклад: "Аппаратно-программный комплекс видеоимпульсного радара для подповерхностного зондирования".

4. Научно-технической конференции "Проблемы повышения эффективности вооружения, военной техники и подготовки специалистов в интересах войск ПВО", Академии технологических наук РФ (Верхне - Волжское отделение), г. Н. Новгород, НВЗРКУ ПВО, 8-10 октября 1997 г.

Доклад: "Подповерхностные радары для локации объектов электромагнитными импульсами и их применение".

5. Международном конгрессе CITOGIC'98 "Новые высокие технологии для газовой, нефтяной промышленности энергетики и связи", г. Казань, Татарстан, 16-20 июня 1998 г.

Доклад: "Системы электромагнитного зондирования сред при прокладке и эксплуатации нефтяных и газовых коммуникаций".

Разработанный на основе диссертационной работы программный пакет "Geo-Data for Windows" многократно и успешно исполь-

зовался при проведении полигонных испытаний и реальных измерений различными комплексами подповерхностных радаров.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные аспекты и результаты диссертации опубликованы в семи работах, еще две работы находятся в печати.

ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 140 стр. машинописного текста, из них 106 стр. основного содержания, 45 рисунков на 36 стр., 12 таблиц на 10 стр., список используемых сокращений на 2 стр., список литературы на 9 стр.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Математическая модель прохождения электромагнитных сигналов в слоистых средах с потерями.

2. Метод повышения точности определения местоположения объектов по глубине при подповерхностном зондировании слоистых сред.

3. Метод и алгоритм синтеза апертуры, учитывающие параметры слоистой подповерхностной среды.

4. Метод и алгоритм инверсной фильтрации с калибровкой аппаратной функции подповерхностного радара по проводящей сфере.

5. Метод и алгоритм нелинейного динамического квантования сигнала цветовой гаммой; выделение контуров подповерхностных слоев и объектов.

6. Результаты моделирования отражений сигналов от слои-стойсреды.

7. Результаты проведенных экспериментальных измерений.

8. Результаты использования разработанного программного обеспечения подповерхностного радара для решения практических задач.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ПОДПОВЕРХНОСТНОМ ЗОНДИРОВАНИИ

В главе рассмотрены существующие методы обработки информации при ПЗ сред. Описаны модели, учитывающие свойства однородных сред. Приведен возможных! подход к моделированию отражений от простейших объектов, расположенных в однородной среде.

На основании аналитического обзора литературных источников сформулированы задачи диссертационной работы.

1.1. Ретроспективный анализ и задачи обработки информации при подповерхностном зондировании

/

Физический принцип, на котором основана работа радиолокационной системы, впервые был продемонстрирован Герцем в 80-х годах прошлого века. Первое использование электромагнитных сигналов для определения присутствия удаленных наземных объектов приписывают Хельмейеру (1904 г.) В дальнейшем методы подповерхностного электромагнитного зондирования совершенствовались, и в 1926 г. Халсенбек впервые использовал импульсный метод для определения структуры объектов под землей. Он заметил, что любые изменения в диэлектрике, не обязательно проводимость, будут также создавать отражения и что этот метод, благодаря более легкой возможности реализации направленных источников, имеет преимущество над сейсмическим [1]. В следующие 50 лет импульс-

ная техника широко развивалась как средство для зонднрования на большие глубины во льду, пресной воде, залежах соли, в пустыне и скалах. В начале 70-х, при развитии исследований луны интерес к теме электромагнитного ПЗ усилился. Метод электромагнитной геолокации более подходил для этих целей, чем контактный сейсмический [1,5,6,10].

На настоящее время существует ряд промышленных приборов, использующих для обнаружения подповерхностных объектов метод зондирования электромагнитными импульсами.

За рубежом одной из первых систем поверхностного зондирования (СПЗ) является система Terrascan фирмы Microwave Assaciates, предназначенная для обнаружения труб и кабелей. Широко известны ПР фирмы Geophysical Surveys Systems Inc. SIR (Subsure Interface Radar) (США). Этой фирмой выпускается более, пяти различных СПЗ с различной длительностью зондирующих сигналов (средняя частота спектра зондирующего сигнала (ЗС) от 80 до 900 МГц, длительность ЗС от 1 до 6 не). Другая известная система - импульсный георадар System IV (центральные частоты спектра (ЦЧС) ЗС: 120, 350 и 700 МГц) фирмы Radar Exploration System (США). Система используется для зондирования угольных пластов на глубину до 15 метров. Кроме вышеуказанных, можно отметить импульсный георадар Georadar YL-R2 японской корпорации OYO с ЦЧС ЗС 120 МГц, и георадар фирмы A-Cubed Inc. (Канада) с ЦЧС ЗС 50 и 100 МГц, использующиеся в области инженерной геологии [5].

/ , 1 - 15 -

В ближнем зарубежье Латвийской фирмой Radar Inc. (г. Рига)

выпускается СПЗ Zond System 12 с ЦЧС ЗС: 25-1 50, 300, 500 и 900 МГц.

В России известны следующие фирмы, выпускающие оборудование для ПЗ электромагнитными импульсами:

- НПП "ЛОКАС" (г. Москва), выпускающее вместе с ПЗРА (г. Правдинск) радары с длительностью ЗС 10 не (100 МГц) в двух вариантах: мобильном - ЛОКАС2, ЛОКАС2М (на самоходном шасси автомобиля ЗИЛ-131) и пешеходном ЛОКАСЗП;

- ТОО "ЛОГИС", совместно с НИИ Приборостроения (г. Жуковский) производящее георадары с ЦЧС ЗС: 250, 700 и 1300 МГц [9];

- НПП АО "СПЕКТР" (г. Санкт-Петербург), выпускающее им-7 пульсный георадар Georadar с ЦЧС ЗС 10 ГГц;

- ННИПИ "КВАРЦ" (г. Н. Новгород), совместно с ПЗРА (г. Правдинск) выпускающий IIP с длительностью ЗС: 1, 3, 8 не (ЦЧС ЗС: 1000, 330, 125 МГц соответственно) [7];

- НТП "ТЕНЗОР" (г. Н. Новгород), производящее радары с длительностью ЗС: 50, 100, 200 пс, 0.5, 1, 4, 10 не (ЦЧС ЗС: 18, 10, 5 ГГц и 2000, 1000, 250, 100 МГц соответственно) [8].

ПР выпускаются также и другими фирмами. Перечисленные приборы предназначены для электромагнитного зондирования с поверхности земли или границы раздела сред.

Для поиска объектов под землей, кроме импульсного электромагнитного, известны и другие методы. К альтернативным методам относится геофизический метод измерения сопротивления, магнитометрическое топографирование, а также метод низкочастотной индукции для обнаружения локализованных в верхнем слое металлических объектов или более глубоко расположенных металлических труб и кабелей. По сравнению с каждым из них электромагнитный метод имеет свои преимущества и свои недостатки. К преимуществу электромагнитного метода следует отнести возможность быстрого зондирования и независимость от природы объектов (метод позволяет детектировать как металлические, так и диэлек^ трические объекты).

Принцип действия ПР основан на зондировании импульсными сигналами наносекундной и пикосекундной длительности, стробо^ скопическом сп