Подповерхностное зондирование дорожного полотна с использованием ЛЧМ сигналов

Актуальность темы

.

Радиотехнические методы определения внутренней структуры объектов находят применение в технике аэрокосмического зондирования, поиска полезных ископаемых, при технологическом контроле качества слоистых покрытий, при поиске скрытых объектов, при обследовании дорог, ледников и водоёмов, дистанционном разминировании территорий и т. д.

Значительный объём исследований был проведен в связи с дистанционным подповерхностным зондированием Земли с летательных аппаратов, а также при создании приборов промышленной дефектоскопии диэлектрических покрытий. Заметными толчками к развитию георадаров явились работы X. Ф. Хармута по сверхширокополосной радиолокации. Первые работы по идентификации структуры подповерхностной среды с использованием радиоимпульсного метода зондирования проводились под руководством М. И. Финкельштейна. Развитие методов подповерхностного зондирования за рубежом изложено в работе Д. Дж. Дениэлса. Последние достижения в этой области систематизированы в коллективной монографии под редакцией A.IO. Гринева. В настоящее время выпускаются серийные приборы подповерхностного зондирования Земли, основанные на использовании коротких радиоимпульсов с фиксированной средней частотой в диапазоне 25. 1700 МГц. В них оценка структуры и параметров подповерхностных слоёв на глубине от 1 до 30 м производится с применением оптимальных методов обработки. Однако, в этом направлении возникают технические ограничения по достижимым значениям пиковой мощности и длительности зондирующего импульса.

Перспективное направление развития теории и техники подповерхностного зондирования связано с применением сверхширокополосных сигналов со сложными законами угловой модуляции, позволяющих ослабить указанные ограничения. Основополагающими можно считать работы Ч. Кука и М. Бернфельда, Я. Д. Ширмана, Ю. Б. Кобзарева. Развитие теории и техники.

ЧМ-высотомеров связано с работами А. С. Винницкого, А. И. Баскакова. Систематизация накопленного опыта использования ЧМ сигналов представлена в работах В. Н. Кочемасова, JI. А. Белова, В. С. Оконешникова, В. И. Гомозова.

Установлено, что георадар должен быть специализирован для решения ограниченного круга задач. В настоящее время весьма актуальна задача неразрушающего контроля состояния дорожных покрытий. Ее решение с использованием JI4M сигналов позволит внести вклад в развитие методов подповерхностного зондирования, используемых для прогноза и своевременного выявления дефектов дорожного полотна, что имеет существенное значение для экономики страны.

Цель работы.

Анализ возможностей идентификации структуры слоев дорожного полотна на основе гетеродинного и частотно-временного методов обработки JI4M радиоимпульсов.

Решаемые задачи:

1) сравнение потенциальных возможностей применения JI4M сигналов и коротких видеоимпульсов для измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна;

2) анализ влияния погрешностей формирования закона ЧМ зондирующего сигнала и его гетеродинной обработки на точность измерения толщин слоев дорожного полотна, разрешающую способность по глубине и динамический диапазон входных сигналов георадара;

3) разработка частотно-временного метода восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего JI4M сигнала и рекомендаций по выбору параметров схемы обработки;

4) сравнение перспективных генетического и шаблонного алгоритмов минимизации функционала невязки применительно к задаче совместного измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна;

5) экспериментальное изучение возможностей идентификации структуры слоев железнодорожного полотна на основе гетеродинной обработки J14M сигнала.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач использовались численные методы прямого и обратного преобразований Фурье, имитационного моделирования, генетический и шаблонный алгоритмы минимизации целевого функционала, методы полиномиальной и гармонической аппроксимации, полных сопротивлений, мгновенной частоты, натурное моделирование и эксперимент.

Новые научные результаты:

1) разработан частотно-временной метод восстановления спектральной зависимости комплексного коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего J14M сигнала;

2) произведено сопоставление генетического и шаблонного алгоритмов минимизации функционала невязки, применяемых для идентификации структуры слоев дорожного полотна, и установлены области их применимости;

3) предложена методика учета влияния погрешностей формирования закона ЧМ на разрешающую способность, динамический диапазон и точность измерения толщин слоев дорожного полотна на основе их полиномиальной или гармонической аппроксимации при гетеродинной обработке зондирующего сигнала;

4) произведена количественная оценка погрешностей гетеродинной обработки J14M сигнала, отраженного от неоднородностей, расположенных на глубинах менее его средней длины волны, и установлены временные ограничения частотного метода зондирования.

Практическая значимость результатов работы:

1) предложенный частотно-временной метод восстановления частотной зависимости коэффициента отражения подповерхностной среды, позволяет в десятки раз сократить время обработки по сравнению с методом дискретной перестройки частоты;

2) разработаны рекомендации по выбору параметров зондирующего сигнала и схемы его частотно-временной обработки, обеспечивающие измерение искомых параметров дорожного полотна с допустимой погрешностью;

3) методики учета влияния погрешностей формирования закона ЧМ и его гетеродинной обработки на точность измерения толщин слоев дорожного полотна, разрешающую способность и динамический диапазон дают возможность обосновать требования к узлам его формирования и обработки;

4) создан лабораторный вариант программно-математического обеспечения макета JI4M георадара, с помощью которого проведено экспериментальное сопоставление различных способов обработки ЧМ сигнала в частотной области;

5) проведенные лабораторные и полевые испытания позволили установить причины ухудшения анализируемых характеристик макета JI4M георадара по сравнению с потенциально достижимыми;

6) подготовлена учебная лабораторная работа для студентов и специалистов, изучающих методы подповерхностного зондирования.

Достоверность результатов работы: подтверждается использованием различных аналитических способов оценки рассматриваемых характеристик георадара, апробацией предложенных методик на примерах, а также экспериментальной проверкой результатов расчета.

Положения, выносимые на защиту:

1) разработанная автором методика учета погрешностей формирования закона ЧМ позволяет оценить точность измерения глубины неоднород-ностей дорожного полотна, динамический диапазон и разрешающую способность по глубине при гетеродинной обработке зондирующего сигнала;

2) на глубинах менее средней длины волны гетеродинная обработка J14M сигналов характеризуется снижением разрешающей способности на 16% и точности измерения глубины неоднородностей на 20% по сравнению со своими предельными значениями, что обусловлено искажением спектральной плотности сигнала разностной частоты с малым числом периодов несущего колебания на интервале анализа;

3) применение частотно-временного метода восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего J14M сигнала даёт возможность измерить толщины и электрофизические параметры его слоев с допустимой погрешностью;

4) в среднем интервале априорной неопределенности (около 50%) значений искомых параметров дорожного полотна генетический алгоритм обеспечивает не менее, чем на 10% меньшую погрешность измерения по сравнению с шаблонным алгоритмом минимизации функционала невязки.

Апробация результатов.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на десятой, одиннадцатой и двенадцатой научно-технических конференциях студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, 2004;2006 гг.) — на семинаре РНТРОРЭС имени А. С. Попова (март 2003 года) — на научно-технической конференции «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике» РНТОРЭС имени А. С. Попова (Суздаль, 2005) — на VIII международной научно-технической конференции «Волновая электроника и ее применения в телекоммуникационных системах» (Санкт — Петербург, 2005), на Всероссийской научно-технической конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2006).

Использование результатов работы.

Результаты работы использованы в учебном процессе кафедр Формирования колебаний и сигналов и Радиотехнических приборов МЭИ (ТУ), а также в практической деятельности предприятия «Российский НИИ космического приборостроения», что подтверждено соответствующими актами.

Личный вклад автора.

Автором разработан метод частотно-временной обработки J14M сигналаданы рекомендации по выбору параметров предложенной схемыпроанализировано влияние погрешностей формирования и гетеродинной обработки J14M сигнала на точность измерения искомых параметров дорожного полотнасоздан пакет программ для исследования различных методов обработки зондирующего ЧМ сигналаразработано программно-математическое обеспечение для макета JI4M георадарапроведены натурные испытания макетаразработаны рекомендации по созданию опытного образца JI4M георадара;

Публикации.

По теме диссертации автором опубликовано 10 печатных работ, в том числе 7 научных статей и текстов докладов, из них 3 без соавторов.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 121 наименования и 3 приложений. Работа изложена на 147 страницах, иллюстрирована 48 рисунками и содержит 6 таблиц.

4.5. Выводы.

Для экспериментальной проверки динамического диапазона и разрешающей способности приемно-передающей части макета георадара с гетеродинной обработкой зондирующего ЛЧМ сигнала создано ПМО, которое обеспечивает широкие возможности по изменению характеристик управляющего напряжения, и выбору способов обработки информационного сигнала в частотной области. В ходе лабораторных испытаний установлено следующее:

1) ПМО работоспособно и обеспечивает корректное выполнение заложенных в него алгоритмов формирования и обработки сигналов макета георадараб) продолжение.

Рис. 4.15. Радарограмма железнодорожного полотна (скорость движения 2,0 км/ч) а) первый фрагмент.

2) экспериментальные разрешающая способность на 30% хуже, а динамический диапазон на 6 дБ хуже своих потенциально достижимых значений, что обусловлено погрешностями формирования закона ЧМ;

3) погрешность расчета толщины слоя при условии, что значение его относительной диэлектрической проницаемости известно с точностью 50% может достигать 60%. Это свидетельствует о необходимости совместных измерений толщин и электрофизических параметров слоев среды;

4) макет георадара обеспечивает возможность наблюдения за малоразмерными целями в виде двух металлических предметов размерами 200 см х 200 мм, зарытых на глубине 50 см с разницей по глубине в 15 см и расположенных на расстоянии 50 см друг от друга;

5) применение вторичной графической обработки позволяет повысить контрастность идентифицируемых объектов, но при этом может повыситься контрастность ложных объектов;

Полевые испытания показывают, что реальная глубина проникновения сигнала при зондировании железнодорожного полотна не превышает 1 м Число наблюдаемых слоев примерно соответствует ожидаемому. Недостаточная разрешающая способность георадара по глубине, а также конечная ширина диаграмм направленности антенн приводит к визуальному слиянию ближайших к поверхности границ. Оценка доплеровского смещения частоты подтвердила возможность пренебрежения им в расчетах.

Анализ причин ухудшения разрешающей способности и динамического диапазона показал, что к числу ограничивающих отмеченные характеристики факторов следует отнести высокую инерционность УГ по цепи управления, а также нелинейность его MX и фазочастотных характеристик частотно избирательных цепей. Поэтому можно рекомендовать использование управляемого генератора с меньшей постоянной времени цепи управления и исключить из обработки начальный участок интервала анализа, на котором инерционность проявляется особенно сильно. Предлагается применить цифровые вычислительные синтезаторы, позволяющие программно корректировать искажения закона ЧМ или корректоры управляющего напряжения. Использование фильтров с линейной фазочастотной характеристикой и незначительное снижение диапазон перекрытия по частоте по сравнению с октавным позволит улучшить качество фильтрации высших гармоник формируемого сигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе проведенного исследования теоретически обоснована и практически подтверждена принципиальная возможность создания ЛЧМ георадара, позволяющего идентифицировать структуру слоев дорожного полотна в диапазоне глубин до 1 м с разрешающей способностью по глубине не более 18 см и с периодом зондирования порядка 5 мс. В созданном приборе использованы активный цифроаналоговый способ формирования зондирующего сигнала мощностью 10 мВт с перестройкой частоты от 1 ГГц до 2 ГГц при длительности модуляции порядка 5 мс и его гетеродинная обработка на основе цифровых методов спектрального анализа. Это позволяет отказаться от дорогостоящих высоковольтного источника ударного возбуждения антенны и стробоскопического преобразователя временного масштаба, используемых в радиоимпульсных георадарах. Результаты теоретического анализа состоят в следующем:

1) установлено, что на глубинах менее средней длины волны гетеродинная обработка ЛЧМ сигналов характеризуется снижением разрешающей способности на 16% и точности измерения глубины неоднородностей дорожного полотна на 20% по сравнению со своими предельными значениями, что обусловлено искажением спектральной плотности сигнала разностной частоты с малым числом периодов несущего колебания на интервале анализа. Выявлены временные ограничения частотного метода зондирования;

2) разработана методика, позволяющая оценить погрешность измерения глубины неоднородностей дорожного полотна, динамический диапазон и разрешающую способность георадара по глубине на основе полиномиальной или гармонической аппроксимации погрешностей закона ЧМ;

3) для восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего сигнала впервые предложено использовать частотно-временной метод обработки, представляющий альтернативу методу инверсной фильтрации. К достоинствам метода следует отнести простоту его технической реализации и сокращение времени обработки в десятки раз по сравнению с методом дискретной перестройки частоты. Для уменьшения погрешностей измерения искомых параметров среды рекомендуется выбирать параметры зондирующего сигнала и схемы обработки в соответствии с предложенной в работе методикой, учитывающей возможное изменение условий распространения сигнала в среде;

4) проведен сравнительный анализ генетического и шаблонного алгоритмов минимизации функционала невязки, применяемых для совместного измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна. В ходе анализа показано, что в узком (8 < 25%) интервале априорной неопределенности значений искомых параметров большую точность измерения обеспечивает шаблонный алгоритм, в среднем (8 ~ 50%) интервале неопределенности предпочтение следует отдать генетическому алгоритму, в широком (8 > 75%) интервале неопределенности оба алгоритма не обеспечивают точность измерения искомых параметров менее 50%.

Для создания опытного образца ЛЧМ георадара можно рекомендовать использование управляемого генератора с меньшей по сравнению с имеющейся в макете постоянной времени цепи управления и введение в схему формирования корректора управляющего напряжения, что и было реализовано в макете. Это позволит уменьшить погрешность закона ЧМ, обусловленную инерционностью управляемого генератора по цепи управления и нелинейностью его модуляционной характеристики. Для этой же цели целесообразно исключить из обработки начальный временной интервал, на котором инерционность проявляется особенно сильно. Для компенсации погрешностей формирования закона ЧМ, вызванных нелинейностью фазоча-стотных характеристик фильтров и усилительных устройств, предлагается использовать фильтры с линейной фазочастотной характеристикой и цифровые вычислительные синтезаторы, позволяющие программно корректировать закон ЧМ. Необходимо снижать уровни высших гармоник на выходе управляемого генератора, ограничивающих динамический диапазон георадара. Для этого необходимо отказаться от октавной перестройки частоты, что позволит улучшить качество фильтрации высших гармоник формируемого сигнала.