Анализ характеристик подповерхностного радиолокатора в частотной области тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Крампульс, Андрей Юрьевич

• Крампульс, Андрей Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Крампульс, Андрей Юрьевич

1. Введение.

1.1. История подповерхностной радиолокации.

1.2. Современное состояние подповерхностной радиолокации.

1.3. Выбор частотного диапазона подповерхностного радиолокатора.

1.4. Формула радиолокации для зондирования в средах с частотно-зависимым поглощением.

2. Сквозная частотная характеристика подповерхностного радиолокатора и ее составляющие.

2.1. Представление сквозной частотной характеристики подповерхностного радиолокатора.

2.2. Характеристики сверхширокополосных антенн подповерхностного радиолокатора и их моделирование.

2.2.1. Экспериментальное исследование характеристик сверхширокополосной антенны подповерхностного радиолокатора.

2.2.2. Моделирование частотной характеристики антенны при помощи эквивалентной схемы.

2.2.3. Диаграмма направленности сверхширокополосной антенны подповерхностного радиолокатора, расположенной на поверхности поглощающего грунта.

2.3. Частотные характеристики грунтов и их моделирование.

2.4. Частотные характеристики основных объектов подповерхностной радиолокации и их моделирование.

2.4.1. Основные объекты подповерхностной радиолокации.

2.4.2. Проводящая сфера.

2.4.3. Проводящий цилиндр.

2.4.4. Резкая граница раздела сред.

2.4.5. Плавная граница раздела сред.

2.4.6. Диэлектрическая сфера и другие диэлектрические объекты.

2.5. Выводы.

3. Построение модели подповерхностного радиозондирования.

3.1. Описание модели подповерхностного радиозондирования.

3.2. Анализ результатов моделирования.

3.3. Исследование модификации частотного тракта подповерхностного радиолокатора.

3.4. Выводы.

4. Основные источники помех при подповерхностной радиолокации и методы их подавления.

4.1. Основные помехи при подповерхностной радиолокации.

4.2. Сигнал прямого прохождения.

4.3. Отражения от объектов в верхнем полупространстве, диаграмма направленности антенны в верхнем полупространстве.

4.4. Оптимизация числа накоплений сигналов.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ характеристик подповерхностного радиолокатора в частотной области»

Подповерхностное радиозондирование земных покровов имеет большую историю. Еще в 1912 г. Г. Леви и Г. Леймбах предложили использовать интерференционный метод для поиска руд и воды, известны также работы А. А. Петровского по изучению верхних слоев земли путем измерения полей радиоволн, распространяющихся вдоль поверхности земли или через слои определенной толщины [26] (1925 г.). С тех пор появилось множество вариантов интерференционного метода. Применительно к ледникам этот метод экспериментально опробован В. Штерном в 1929 г., а для определения уровня грунтовых вод в пустыне — Эль-Саидом в 1956 г. [26].

Следующим шагом в развитии подповерхностного зондирования стали индукционные и радиоволновые методы. В индукционном методе для поиска металлических объектов много меньше длины волны использовались квазикогерентные низкочастотные сигналы. В радиоволновом методе для поиска диэлектрических и металлических объектов, соизмеримых с длиной волны, использовались КВ, УКВ, СВЧ сигналы. Оба типа устройств используют квазикогерентные сигналы и поэтому способны определять только локализацию неоднородности (проекцию на поверхность земли), но не способны определять ее глубину. Индукционные методы широко используются и сейчас для обнаружения металлических объектов.

Для полной локализации подповерхностных объектов (квазиточечных, удлиненных или границ слоев), то есть определения их глубины, требуется использование методов классической радиолокации. Еще в 1946 г. пилоты США при полетах над Антарктидой наблюдали ошибки в показаниях бортовых радиовысотомеров (классических узкополосных радиолокаторов), обусловленные проникновением радиоволн в толщу льда и появлением сигнала, отраженного от его нижней границы [26, 27]. Затухание радиоволн УКВ диапазона в пресных льдах очень мало (около 0,1 дБ/м), поэтому условия радиолокационного определения высоты с борта самолета мало отличалось от зондирования толщи льда. С 1963 г. импульсные радиовысотомеры уже целенаправленно были использованы для определения толщины материковых ледников в Гренландии и Антарктиде [26].

В отличие от пресного льда, грунт, соленый лед и другие среды обладают весьма ощутимым затуханием. В этом случае экспоненциальный множитель ослабления в подавляющем большинстве сред существенно превосходит степенную зависимость ослабления, имеющую место в классической радиолокации. Максимальная глубина зондирования на порядки меньше, чем при радиолокационных измерениях в воздухе. Например, в УКВ диапазоне она редко превышает единицы метров. Для получения хотя бы десяти зон разрешения в пределах реализуемой глубины обнаружения необходимо было максимально расширить спектр зондирующего сигнала, учитывая при этом возрастание затухания с ростом частоты. Средняя частота спектра должна быть минимальной, чтобы достичь наибольшей возможной глубины зондирования. Все это и обусловливает необходимость использования в подповерхностной радиолокации сверхширокополосных (СШП) сигналов, у которых относительный диапазон спектра достигает октавы и более.

Традиционно заранее сформированный радиолокационный сигнал, имеющий спектр 5"1(/), излучался антенной с частотной характеристикой Кт(/). Рабочая полоса частот антенны, которая выполняет в данном случае роль фильтра при преобразовании электрического сигнала в электромагнитное поле зондирующего сигнала, должна была быть приблизительно равна или несколько шире эффективной ширины спектра возбуждающего сигнала. В этом случае излучаемый сигнал претерпевал минимальные искажения по отношению к исходному сигналу Соизмеримость эффективной полосы частот сигнала и полосы частот антенны приводит к сужению спектра излучаемого электромагнитного поля Зу^/) = $\(/)Кт(/). На заре появления техники подповерхностного зондирования в начале 60-х годов Дж. Куком [38] был предложен эффективный метод получения ультракоротких импульсов при возбуждении антенн либо коротким импульсом с длительностью хи « 1//о (/о — резонансная частота антенной системы), либо перепадом напряжения с фронтом такой же длительности. В этом случае в формировании излучаемого сигнала участвует практически только частотная характеристика антенны Кт{/) и реализуется максимальная ширина спектра. Этот способ был реализован независимо и другими исследователями, в том числе В.Т. Поляковым в 1963-64 г. в МФТИ, а в настоящее время считается общепринятым для формирования сверхширокополосных импульсов излучения.

Среди пионеров подповерхностной радиолокации в России можно назвать несколько организаций. Группа М. И. Финкельштейна (РИИГА, г. Рига) с 1966 г. исследовала возможности радиолокации с борта самолета или вертолета для исследования толщины пресных льдов [25, 26]. В начале 70-х годов были проведены экспериментальные измерения с самолета толщины морских льдов и глубины водоносных слоев в пустынных районах Средней Азии. Подповерхностное зондирование с борта летательного аппарата было основынм направлением работы этой группы. В настоящее время опыт работы группы М. И. Финкельштейна унаследован фирмой Radar Systems, г. Рига, производящей серии георадаров "Зонд" (В. П. Золотарев).

В МФТИ эксперименты по использованию подповерхностной радиолокации начались после первых опытов использования акустических сигналов для подповерхностного зондирования. В начале 60х годов была построена первая установка для радиоволнового зондирования с использованием узкополосного сигнала [21].

Было установлено, что основные характеристики подповерхностных радиолокаторов в значительной степени определяются параметрами сред зондирования. Поэтому на кафедре распространения радиоволн МФТИ под руководством Ю. И. Лещанского [21, 23] в 60-х годах были выполнены основополагающие измерения электрических параметров типичных грунтов (песчаного и глинистого) и различных строительных материалов в широком диапазоне частот (от 140 МГц до 40 ГГц) и влажностей. Эти результаты представляют не только прикладной интерес при разработке подповерхностных радиолокаторов, но имеют фундаментальное значение для радиофизики. Затем были сформулированы требования к частотному диапазону и широкополосности радарной системы, впервые применено ударное возбуждение передающей антенны. В 80-х годах разработаны первые варианты сверхширокополосных щелевых антенн, экспериментальные образцы георадиолокаторов для работы в туннеле (Ю. И. Лещанский, С. В. Мигинский, А. Н. Бородин, В. Е. Корнев, Н. Г. Подшибякин, С. В. Дручинин). Проведены георадарные измерения в Северо-Муйском туннеле (БАМ). В 90-х годах разработано несколько вариантов сверхширокополосной щелевой антенны для работы в замкнутых помещениях с улучшением развязки верх-низ уменьшение излучения в верхнее полупространство) [3, 4, 5, 8, 9, 40, 42] (С. В. Дручинин, В. Е. Корнев), разработаны и изготовлены георадарные системы для контроля состояния дорожного покрытия (1997), для упреждающего контроля состояния грунта при проходке туннелей (1998, 1999) [29, 32, 34] (С. В. Дручинин, А. Г. Чернокалов, Н. П. Чубинский). Сотрудники, студенты и аспиранты кафедры ФМПВП МФТИ принимали участие в экспериментах по использованию георадара при проходке туннелей в г. Москве в 1998-1999 г. В 1999 г. георадар МФТИ был использован во время совместного российско-японского проекта по зондированию границы оттаивания вечной мерзлоты в Якутске [37].

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Крампульс, Андрей Юрьевич

Основные результаты и выводы работы состоят в следующем.

1. Обосновано использование в подповерхностной радиолокации в грунтах с частотно-зависимыми потерями СШП сигналов. Сформулированы требования по выбору частотного диапазона таких устройств. На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований определены основные составляющие модели подповерхностного радиозондирования в частотной области — характеристики антенных систем, сред и объектов зондирования.

2. Проведен анализ основных составляющих сквозного частотного тракта георадара: частотных характеристик излучающей и приемной антенн, дисперсионных характеристик грунта и спектральных характеристик отражения типичных объектов подповерхностного зондирования. Впервые подробно оценен вклад частотных и поляризационных характеристик типичных объектов на характеристики частотного тракта подповерхностного радара. Проведено построение в частотной области модели подповерхностного радиозондирования.

3. Впервые проведен учет вклада частотных и поляризационных характеристик объектов в характеристики обнаружения и разрешения радиолокатора. С использованием построенной модели проанализированы возможности идентификации некоторых классов объектов при обработке реальных данных подповерхностных радиолокационных измерений. Впервые исследованы возможности модификации сквозного тракта георадара (относительного смещения частотных диапазонов излучающей и приемной антенн) с целью увеличения максимальной глубины зондирования и улучшения разрешающей способности. Установлены условия, при которых может быть достигнуто улучшение характеристик обнаружения и разрешения георадара.

4. Рассмотрены основные виды помех и шумов, затрудняющих обработку сигналов в подповерхностной радиолокации, и приведены некоторые методы их подавления. Подробно проанализировано влияние сигнала прямой связи между излучающей и приемной антеннами георадара и недостаточного демпфирования антенн на характеристики обнаружения объектов различных типов. Проведены экспериментальные измерения вариации амплитуд отраженных объектом сигналов и сигнала прямого прохождения в зависимости от зазора между раскрывами антенн и поверхностью неровного грунта, на основании которых установлены возможности компенсации этих помех. Даны обоснованные рекомендации по выбору методов предварительной обработки данных измерений для улучшения характеристик обнаружения.

5. Приведены результаты экспериментальных исследований излучения СШП щелевых антенн георадара в верхнем полупространстве (в Е- и Н-плоскостях), позволившие количественно определить отношение потоков излучаемой мощности в верхнем полупространстве и грунте в зависимости от величины зазора между поверхностью грунта и раскрывом антенны. Эти результаты позволили сформулировать требования к взаимному расположению и ориентации блока антенн георадара по отношению к объектам в верхнем полупространстве для максимального подавления помех, связанных с отражениями от этих объектов.

6. Впервые предложен метод оптимизации числа накоплений данных при георадиолокационных измерениях, позволяющий достигнуть радикального уменьшения полного времени проведения измерения, при этом может быть одновременно улучшено отношение сигнал/шум на заданном интервале временных задержек. Изменение числа накоплений в каждой точке временной оси в зависимости от времени задержки позволяет уменьшить погрешность измерений в несколько раз при том же полном числе накоплений.

Написание данной работы было бы невозможно без постоянной помощи и поддержки со стороны всех сотрудников кафедры физико-математических проблем волновых процессов Московского физико-технического института, которым я выражаю искреннюю благодарность.

5. Заключение

В диссертации проведено построение в частотной области варианта модели подповерхностного радиозондирования, не требующего значительных вычислительных мощностей, однако позволяющего полноценно использовать информацию об амплитуде отраженного объектом сигнала, его форме и длительности для улучшения характеристик обнаружения и разрешения георадара, а также обосновать критерии для идентификации некоторых типов наблюдаемых объектов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Крампульс, Андрей Юрьевич, 2000 год

1. Айзенберг Г. 3., Белоусов С. П., Журбенко Э. М., Клигер Г. А., Курашов А. Г. Под ред. Г. 3. Айзенберга. "Коротковолновые антенны". — М.: "Радио и связь", 1985. — 536 с.

2. Астанин Л. Ю., Костылев А. А. "Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений". М., "Радио и связь", 1989,192 с.

3. Дручинин С. В., Лещанский Ю. И. Расчет характеристик щелевой антенны георадиолокатора, находящейся вблизи поверхности грунта // Распространение и дифракция электромагнитных волн: Междувед. сб. / Моск. физ.-техн. ин-т. М., 1993, с.130-143.

4. Дручинин С. В. Численные способы решения интегрального уравнения электрического поля в задачах излучения и рассеяния // Распространение и дифракция электромагнитных волн: Междувед. сб. / Моск. физ.-техн. ин-т. М., 1993, с.114-129.

5. Дручинин С. В. Анализ характеристик щелевой антенны георадара. Радиотехника и электроника, 1999, т. 44, №6, с. 696-704.

6. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах. М., "Мир", 1984.

7. Кобак В. О. "Радиолокационные отражатели". М., "Советское радио", 1975,248 с.

8. Корнев В. Е., Лещанский Ю. И. Исследование частотных характеристик щелевых антенн // Распространение и дифракция электромагнитных волн: Междувед. сб. / Моск. физ.-техн. ин-т. М., 1993, с.144-152.

9. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Моделирование отражения от диэлектрического слоя в поглощающем полупространстве // Междуведомственный сборник МФТИ "Проблемы распространения и дифракции электромагнитных волн", Москва, 1995, с. 81-84

10. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Численное моделирование характеристик обнаружения и разрешения георадара // Тезисы докладов XVIII Всероссийскойконференции по распространению радиоволн. 17-19 сентября 1996 года, г. С.Петербург, с. 261-262

11. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Методы калибровки временной шкалы георадаров // Тезисы докладов XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн. 17-19 сентября 1996 года, г. С.-Петербург, с. 263-264

12. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Моделирование отражения плоской электромагнитной волны от водоносного слоя // Конференция "Проблемы фундаментальной физики", г. Саратов, 7-12 октября 1996

13. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Экспериментальное исследование характеристик широкополосных щелевых антенн на границе полупространства с потерями // XXXIX научная конференция МФТИ, г. Долгопрудный, 29-30 ноября 1996

14. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Пространственное разрешение при подповерхностной радиолокации // Междуведомственный сборник МФТИ "Радиофизические методы обработки сигналов", Москва, 1996

15. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Оптимизация накопления данных в приемнике георадара со стробоскопическим преобразователем // XL научная конференция МФТИ,, г. Долгопрудный, 28-29 ноября 1997

16. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Оптимизация числа накопления данных в приемнике георадара со стробоскопическим преобразователем // Радиотехника и электроника, 1998, том 43, №11, с. 1331-1335

17. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Анализ возможных модификаций частотного тракта георадара // Радиотехника и электроника, 2000, том 45, №9, с. 1037-1046

18. Лещанский Ю. И. Георадиолокация в МФТИ за 38 лет // Тезисы докладов первой школы-семинара "Георадар в России", февраль 1996, МГУ, Москва, с. 12-14

19. Лещанский Ю. И., Лебедева Г. Н., Шумилин В. Д. Электрические параметры песчаного и глинистого грунтов в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн // Известия ВУЗов СССР. Серия Радиофизика, 1971. — Т. 14. — №4. — С. 562-569.

20. Потехин А. И. "Некоторые задачи дифракции электромагнитных волн". М., "Советское радио", 1948,136 с.

21. Финкелыптейн М. И., Мендельсон В. Л., Кутев В. А. "Радиолокация слоистых земных покровов". М., "Советское радио", 1977,176 с.

22. Финкелыптейн М. И., Карпухин В. И., Кутев В. А., Метелкин В. Н. Под ред. М. И. Финкелыптейна. "Подповерхностная радиолокация" — М.: "Радио и связь", 1994. —216 с.

23. Хармут X. Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи. М., "Радио и связь", 1985, с. 35-49.

24. Чубинский Н. П., Крампульс А. Ю. Экспериментальное исследование демпфирования широкополосных щелевых антенн // Тезисы докладов LIV Научной сессии РНТОРЭС им. А. С. Попова, посвященной Дню Радио. 1999 года, г. Москва, с. 160-161

25. Chernokalov A. G., Chubinsky N. P., Krampuls A. Y. A method of amplitude and phase correction of GPR system transient response // Proceedings of the 8th International Conference on Ground Penetrating Radar, 2000, Gold Coast, Australia. — P. 324-328

26. Chubinsky N. P., Chernokalov A. G., Druchinin S. V., Krampuls A. Y. Examining the radiation of ground penetrating radar antenna into upper hemisphere // Proceedings of 4th Annual Meeting of EEGS (European section), Barcelona, Spain, 1998, pp. 789-792

27. Chubinsky N. P., Chernokalov A. G., Druchinin S. V., Krampuls A. Y. Using ground penetrating radar during tunneling // Proceedings of the 4th SEGJ International Symposium, 1998, Tokyo, Japan, pp. 273-276

28. Chubinsky N. P., Krampuls A. Y. Ground Penetrating Radar Ability To Detect Leaks From Water Pipe // Proceedings of 5th Annual Meeting of EEGS (European section), Budapest, Hungary, 1999, GrP4

29. Chubinsky N. P., Krampuls A. Y. Probe of pulse amplitude of electromagnetic field for investigation of GPR antenna performance // Proceedings of the 8th International Conference on Ground Penetrating Radar, 2000, Gold Coast, Australia. — P. 75-79

30. Chubinsky N. P., Krampuls A. Y. GPR permafrost survey in forested and forestless lands in Yakutia // Proceedings of the 8th International Conference on Ground Penetrating Radar, 2000, Gold Coast, Australia. — P. 584-589

31. Cook J. C. Proposed monocycle-pulse VHF radar for airborne ice and snow measurement. — Trans. Amer. IEE, pt. 1. Commun. and Electronics. — 1960, Vol. 79, №51. —p. 588-594

32. Daniels D. J. "Surface Penetrating Radar". IEE Radar, Sonar, Navigation and Avionics, Series 6. London, UK, 1996,300 p.

33. Druchinin S. V. Analysis of characteristics of the slot antenna used in georadar // Proceedings of the 7th International Conference on Ground Penetrating Radar, May 1998, Laurence, USA. — P.643-648

34. Druchinin S. V. Analysis of characteristics of shielded antennas of georadar // Proceedings of 8th International Conference on Ground Penetrating Radar, Gold Coast, Australia, 2000, pp. 390-395

35. Krampuls A. Yu., Chubinsky N. P. Estimation of Possibility of Water-Bearing Layer Radar Detection // Proceedings of International Workshop on Advanced Electronics Technology '95, Moscow, 1995, pp. 156-159

36. Krampuls A. Yu., Chubinsky N. P. Examining the characteristics of pulse ground penetrating radar in sounding and profiling modes // Proceedings of 6th International Conference on Ground Penetrating Radar, Sendai, Japan, 1996. pp. 549-554

37. Krampuls A. Yu., Chubinsky N. P. Optimizing signal data accumulation for GPRtKreceiver with stroboscope converter // Proceedings of 7 International Conference on Ground Penetrating Radar, Lawrence, Kansas, USA, 1998, pp. 711-714

38. Lapin A. V., Chubinsky N. P. Propagation of wideband radiopulses in media with frequency-dependent absorption, Proceedings of 1995 International Symposium on electromagnetic theory, St. Petersburg, Russia, May 1995, pp. 646-648.

39. Lebedeva G. N. Electrical parameters of sandy and clayey soils in the range of wavelengths from 0.8 to 226 cm // Proceedings of 6th International Conference on Ground Penetrating Radar, Sendai, Japan, September 1996, pp.473-476.

40. Olhoeft G. R. and Smith, S. S. III. Automatic processing of GPR data for pavement thickness and properties. // Proceedings of the 8th International Conference on Ground Penetrating Radar, 2000, Gold Coast, Australia. — P. 188-193

41. Peters, L. Jr., Daniels, J. J., and Young, J. D. Ground penetrating radar as a subsurface environmental sensing tool. Proceedings of the IEEE, 1994, Vol.82, No.12., pp. 18021822.1.l

42. Radzevicius S. J., Daniels J. J., Chen C. C. GPR H-plane antenna patterns for a horizontal dipole on a half-space interface // Proceedings of the 8th International Conference on Ground Penetrating Radar, 2000, Gold Coast, Australia. — P. 712-717

43. Roberts R. Examination of the effect of antenna-surface distance on the radiation of GPR antenna // Proceedings of the 8th International Conference on Ground Penetrating Radar, 2000, Gold Coast, Australia. — P. 702-707