авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Методики проведения экспериментов по радиолокационному подповерхностному зондированию земли и планет земной группы

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МАРЧУК Василий Николаевич

МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
ПО РАДИОЛОКАЦИОННОМУ ПОДПОВЕРХНОСТНОМУ
ЗОНДИРОВАНИЮ ЗЕМЛИ И ПЛАНЕТ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ

Специальность 01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук
ИНСТИТУТе РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал

Научный руководитель: Смирнов Владимир Михайлович

доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты: Гринев Александр Юрьевич

доктор технических наук,

профессор

Чубинский Николай Петрович

кандидат технических наук,

доцент

Ведущая организация: Институт земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН, г.Троицк.

Защита состоится «12» декабря 2008 г. в _11.30_ на заседании диссертационного совета Д 002.231.02 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ГСП-9, ул. Моховая, д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им.В.А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан «___» __________2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук А.А.Потапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Подповерхностная радиолокация является одним из самых производительных и технологичных геофизических методов, применяемых для решения инженерно-геологических, гидрогеологических, экологических, геотехнических и планетологических задач. Области применения георадаров в настоящее время непрерывно расширяются. С улучшением технологий производства аппаратуры и появлением более производительных алгоритмов и средств обработки радиолокационных данных георадар становится одним из важнейших приборов неразрушающего контроля.

В космических исследованиях на данный момент подповерхностное радиозондирование является практически единственным доступным средством определения внутренней структуры космических тел. Основная проблема заключается в специфике используемых в практике подповерхностного зондирования сверхширокополосных (СШП) сигналов и сверхкоротких импульсов, требующих учитывать при разработке аппаратуры множество противоречивых факторов, связанных с повышением потенциальных возможностей радара. Таким образом, разработка георадаров и связанные с ней планирование и проведение экспериментов по подповерхностному радиозондированию является актуальной задачей, как в прикладном, так и в чисто научном аспекте исследования окружающей среды, как на Земле, так и на других планетах и спутниках.

Теоретические основы применения радиоволн для изучения геологических структур были заложены Г.Лови и Г.Леймбахом в 1910 г. С тех пор георадиолокация проделала большой путь и в теоретическом развитии и в практическом применении, как в России, так и в других странах. Разработан ряд георадаров широкого назначения, созданы программно-математические пакеты обработки данных георадиолокационных измерений, продолжают создаваться и совершенствоваться алгоритмы их сбора, обработки и отображения. Однако рядовой пользователь георадара порой испытывает затруднение при выборе типа георадара для конкретной практической задачи, при подготовке и проведении измерений, а также при анализе полученных результатов измерений. В данной работе приведены рекомендации и методики по подготовке и проведению экспериментов с георадарами, описаны результаты применения этих методик при решении практических задач.



Целью диссертационной работы является решение проблемы постановки и проведения экспериментов по подповерхностному радиолокационному зондированию природных сред и интерпретации полученных результатов, развитие методов радиозондирования поверхности Земли и ближайших небесных тел Солнечной системы, разработка методик сбора и обработки полученных данных при постановке конкретных экспериментов.

Реализация поставленной цели достигается на основе решения следующих задач:

  1. Исследование зависимости диаграмм направленностей диполей от параметров среды и величины зазора между антенной и поверхностью среды. Анализ влияния характеристик среды на амплитуду и форму сигнала, отраженного из подповерхности.
  2. Разработка алгоритмов и создание пакета программ сбора и обработки данных георадара, учитывающего специфику формирования и распространения сверхширокополосных сигналов в неоднородной среде.
  3. Разработка методик зондирования природных сред: земных грунтов, водных сред с поверхности водоема и с поверхности льда, дистанционного зондирования грунта космических тел с борта космических аппаратов.
  4. Проведение экспериментов по обнаружению и распознаванию скрытых подповерхностных объектов (на основе разработанных методик). Создание библиотеки радиолокационных изображений наиболее характерных типов подповерхностных объектов.
  5. Разработка методики подготовки и проведения эксперимента по радиолокационному зондированию поверхности Фобоса в готовящейся миссии «Фобос-Грунт», обоснование выбора зондирующего сигнала, проведение моделирования процесса обработки отраженного сигнала с учетом шумов. Апробация разработанных алгоритмов на экспериментальных данных, полученных радаром «Марсис» в европейской межпланетной миссии «Марс-Экспресс».

Выполненные в рамках данной работы исследования соответствуют специальности 01.04.03 «Радиофизика», раздел 5 «Разработка научных основ и принципов активной и пассивной дистанционной диагностики окружающей среды, основанных на современных методах решения обратных задач. Создание систем дистанционного мониторинга гео-, гидросферы, ионосферы, магнитосферы и атмосферы. Радиоастрономические исследования ближнего и дальнего космического пространства».

Положения выносимые на защиту:

  1. Созданный универсальный пакет программ обработки радиолокационных данных подповерхностного зондирования позволяет повысить потенциальные возможности радара и улучшить качество интерпретации получаемых результатов.
  2. Разработанные методики подготовки, проведения и анализа полученных результатов экспериментов по радиолокационному зондированию различных твердых природных сред и пресноводных водоемов применимы для решения прикладных задач в археологии, строительстве, инженерной геофизике и других областях.
  3. Разработанные методики позволяют оптимальным образом планировать и моделировать этапы подготовки, проведения и анализа полученных результатов в экспериментах по радиолокационному зондированию криолитосферы Марса и поверхности Фобоса.

Достоверность результатов работы обеспечивается следующими утверждениями:

  1. Полученные результаты согласуются с теоретическими расчетами и в частных случаях с результатами, описанными в литературе;
  2. Разработанные методики проверены на практике;
  3. Результаты интерпретации экспериментальных данных в экспериментах по обнаружению скрытых подповерхностных объектов подтверждены раскопками, бурением, либо непосредственным наблюдением (экстраполяцией и интерполяцией по заведомо известным положениям исследуемого объекта).

Научная новизна и практическая значимость

Разработана универсальная программа сбора и визуализации георадиолокационных данных двухканального георадара в режиме реального времени. При непосредственном участии автора впервые изготовлен и испытан двухканальный георадар для археологических изысканий.

На основании анализа рассчитанных диаграмм направленности георадарных антенн при излучении в легкий грунт и воду показано, что при проведении георадарных измерений следует избегать отрыва антенны от поверхности исследуемой среды на величину более 0,1 длины волны.

Для интерпретации результатов подповерхностного зондирования создана библиотека радиолокационных изображений для наиболее характерных типов скрытых в грунте объектов.

Впервые предложена методика зондирования подповерхностной структуры грунта Фобоса организованным фазокодоманипулированным сигналом, излучаемым радаром, расположенным на борту космического аппарата (КА) с орбиты ожидания и с траектории посадки.

На основе анализа баллистических и навигационных данных разработана оптимальная схема экспериментов с длинноволновым планетным радаром (ДПР) в межпланетной космической миссии «Фобос-грунт».

Практическая значимость результатов работы. Разработанные методики использовались при проведении мониторинга дна водоемов, археологических раскопках, обследовании строительных площадок и полотна железных дорог, планировании и подготовке экспериментов по зондированию грунта в миссиях «Марс-96» и «Фобос». Результаты диссертационной работы могут быть использованы для разработки и модернизации программ сбора и математической обработки радиолокационных данных, для подготовки и проведения экспериментов по подповерхностному зондированию слабопоглощающих земных сред и грунта космических тел земной группы, а также для анализа и интерпретации данных измерений.

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на научном семинаре 11-го отдела ФИРЭ РАН и на научных конференциях «Применение сверхширокополосных сигналов в радиоэлектронике и геофизике» (1991, г. Красноярск), «Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды» (1999, г. Муром), «Radar 97» (1997, Edinburgh), «Георадар в России 2000» (2000, г. Москва), «Георадар 2002» (2002, г. Москва), на 3-й международной конференции «Диагностика трубопроводов» (2001, г.Москва), на 4-й международной научно-практической конференции «Георадар-2004» (2004, Москва), на международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика 2005» (2005, г. Геленджик), на 2-й Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (2006, г. Муром), на 5-й Юбилейной Открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (2007, г. Москва), на Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий", (2008, г. Москва).

По теме диссертации опубликовано 26 работ – 5 статей в журналах (из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ), 1 статья в сборнике научных трудов, 20 тезисов докладов на российских и международных конференциях.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены либо лично автором, либо при его прямом участии. Автором разработаны программы сбора и обработки данных георадара, программы корреляционной обработки георадиолокационных данных радаров космического базирования, создан каталог радарограмм наиболее распространенных объектов подповерхностного зондирования. Интерпретация научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций, которым автор благодарен за плодотворную совместную работу.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 163 страницы, 69 рисунков и 4 таблицы.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, проанализировано состояние проблемы, сформулирована цель работы, даны сведения о методах исследования, используемых в процессе работы над диссертацией, изложена история развития георадаров. Кратко представлены новые научные результаты, описана практическая ценность результатов работы, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дано обоснование физических принципов подповерхностного радиозондирования: рассмотрено распространение радиосигнала в физических средах с поглощением и без; сделаны оценки предельной глубины зондирования наземных георадаров и радаров воздушного (космического) базирования; проведены расчеты диаграммы направленности антенны вблизи границы раздела двух сред.





Показано, что интерпретация данных георадарных измерений невозможна без знания диаграммы направленности (ДН) антенн георадара. Понятие ДН для сверхширокополосных сигналов имеет неоднозначное определение. Как правило, полагают, что в заданной полосе частот антенна имеет равномерную характеристику и одинаковую для всех частот ДН. У георадара частотная характеристика описывается функцией sin2(|f-f0|)/|f-f0|2, где f0 – центральная частота. Рассчитаны ДН антенны для различных соотношений диэлектрических проницаемостей и высоты расположения над зондируемой поверхностью, относительно собственной длины волны антенны o=с/f0. Результаты расчета для электрического диполя приведены на рис. 1.

Показано, что для обычных грунтов использование антенн типа электрического диполя теоретически является более предпочтительным, по сравнению с магнитным диполем (в практическом отношении, тем не менее, наиболее удобны, щелевые антенны, из-за их конструктивных особенностей). На основе результатов моделирования показано, что при проведении измерений следует избегать отрыва антенн от поверхности исследуемой среды на величину больше 0,1 длины волны.

На основе решения волнового уравнения для электрической компоненты электромагнитной волны в среде, характеризуемой диэлектрической проницаемостью и проводимостью , продемонстрировано влияние характеристик среды распространения на структуру отраженного сигнала. На рис.2 приведено сечение двумерной функции амплитуды в относительных единицах в зависимости от глубины.

Показано, что как при изменении диэлектрической проницаемости, так и её проводимости, действуют похожие законы: прошедший через границу импульс не меняет полярности, отраженный от границы с более проводящей средой импульс меняет полярность, и отраженный от границы со средой меньшей проводимости также не меняет полярности. Однако при наличии проводящей среды явления отражения и прохождения через границу происходят на фоне процессов затухания и дисперсионных искажений, что необходимо учитывать при интерпретации георадарных данных.

 Волновая функция электрического-4

Рис.2. Волновая функция электрического поля на глубине z=0,7 м. Второй сигнал, отраженный от более плотного слоя, имеет обратную полярность по отношению к первому, падающему.

Во второй главе рассмотрены способы обработки получаемых георадиолокационных данных и методики разработки программ сбора и обработки данных георадаров. Эти методики использовались автором для разработки программ «Gerad-op» и «Gerad-pro», предназначенных для сбора и обработки данных георадаров серий «Герад», «ГИР», «ДАО». Этот пакет программ использовался для обработки данных реальных экспериментов. Предложенные во второй главе алгоритмы корреляционной обработки использовались в дальнейшем для обработки данных радара «Марсис» и моделирования обработки данных радара «ДПР».

Рассмотрены методы обнаружения и оценки параметров отраженных сигналов. За основу алгоритма обнаружения сверхширокополосных георадарных сигналов и определения их характеристик предложено принять преобразование Гильберта. Преобразование Гильберта обычно представляют в комплексной форме . В теории аналитических сигналов через модуль преобразования Гильберта определяют огибающую импульса Преобразование Гильберта для цифровой функции при числе отсчетов с шагом через спектральную плотность с шагом по частоте можно записать в виде некоторой системы уравнений:

Для определения полярности отраженных импульсов используется одно из свойств преобразования: максимум модуля соответствует максимуму модуля действительной знакопеременной функции. Для максимума модуля преобразования Гильберта анализируется знак функции в соответствующий момент времени. Знак функции соответствует полярности импульса, которая дает информацию о среде распространения.

Практический опыт использования георадаров показывает, что для проведения всестороннего и качественного анализа георадарных данных программа обработки должна содержать определенные процедуры. Блок-схема программы, реализующая эти процедуры, приведена на рис.3. Применение этих операций (комплексно либо выборочно) позволяет пользователю выбрать метод обработки полученных данных с целью выявления образов и параметров локальных и протяженных объектов на фоне шумов и переотражений, что эквивалентно повышению потенциала георадара в несколько раз.

В третьей главе описаны методики подготовки и проведения экспериментов по подповерхностному зондированию природных сред: поверхностей грунтов применительно к задачам строительства и археологии, пресноводных водоемов, а также приведены полученные в этих экспериментах результаты. На рис.4 приведена общая схема формирования основных регистрируемых отраженных сигналов при проведении экспериментов с георадаром. На рис.5 рассмотрен пример профилирования дна озера и погруженных в воду объектов, наиболее полно иллюстрирующий схему, приведенную на рис.4. Хорошо просматриваются отражения от наклонного участка дна, «ложные отражения» из-под дна водоема, обусловленные особенностями отражения от наклонных участков, кратные отражения от дна, «размытие» отраженного сигнала за счет шероховатости поверхности дна, гиперболический вид отражения от размещенного в толще воды локального объекта.

 Схема формирования основных-18

Рис.4. Схема формирования основных регистрируемых отраженных сигналов

Рис.5. Радарограмма профиля дна озера и погруженных в воду объектов.

Созданные автором методики использовались при разработке и полевых испытаниях ряда георадаров и георадарных комплексов: двухканального георадара «Герад-2» для археологии, георадаров «Герад-3» и «ГИР», многоантенной радиоакустической системы для железной дороги «Спектр-Т».

На рис.6 показан результат профилирования участка бывшего средневекового поселения при полевых испытаниях георадара «Герад-3» в условиях археологической экспедиции. По предположению специалистов-археологов наблюдаемый участок измененного грунта соответствует погребенному котловану на месте разрушенной землянки.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.