Способ идентификации диэлектрических объектов

 

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к способам идентификации объектов при зондировании конденсированных сред частотно-модулированным непрерывным электромагнитным излучением. Технический результат заключается в идентификации диэлектрического объекта по его электрической длине вдоль направления зондирования. Способ идентификации диэлектрических объектов заключается в том, что включает подповерхностное зондирование среды частотно-модулированным непрерывным СВЧ излучением, регистрацию отраженного сигнала, перестройку частоты в диапазоне f, определяемом необходимым пространственным разрешением в направлении зондирования и вычисляемом по формуле

где l - пространственное разрешение, с - скорость света в вакууме, а регистрацию отраженного сигнала производят на частотах с шагом df, выбираемым в зависимости от глубины зондирования и вычисляемым по формуле

df<c/2L,

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к способам идентификации объектов при зондировании конденсированных сред частотно-модулированным непрерывным электромагнитным излучением.

Известен способ обнаружения предметов в земле (патент РФ №2092874, 1997.10.10, Б. И. №28), позволяющий определять форму предмета в плоскости, параллельной поверхности земли, и определять глубину залегания предмета. Данный способ основан на зондировании квазимонохроматическим излучением конденсированной среды под углом Брюстера и измерении амплитуды и относительной фазы отраженного сигнала. Недостатком данного способа является низкая разрешающая способность и невозможность разделения нескольких предметов, находящихся друг за другом на различных расстояниях от поверхности земли.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ идентификации подповерхностных объектов, принятый за прототип (И.А. Васильев, Е.Г. Геннадиева, С.И. Ивашов, В.И. Макаренков, В.М. Метальников, В.В. Разевиг, В.Н. Саблин, А.П. Шейко. Многочастотный СВЧ-датчик для обнаружения мин, “Радиотехника”, 1999, №2, с. 49-52). Данный способ основан на использовании непрерывного излучения на 5 частотах в диапазоне частот от 1,5 ГГц до 2,0 ГГц. Недостатком способа является малая разрешающая способность вдоль направления зондирования и, следовательно, возможность идентификации объекта только по его форме в плоскости, перпендикулярной направлению зондирования, что существенно ограничивает возможности способа идентификации в связи с неудовлетворительным качеством радиоизображения. Кроме того, данный способ не позволяет разделять металлические и диэлектрические объекты.

Предлагаемым изобретением решается задача идентификации диэлектрического объекта по его электрической длине вдоль направления зондирования, что в отличие от прототипа позволяет вводить в алгоритмы идентификации объекта не только его форму в плоскости перпендикулярной направлению зондирования, но и его электрическую длину в направлении зондирования.

Для достижения указанного технического результата в отличие от известного способа используется регистрация интенсивности отраженного сигнала при перестройке частоты зондирующего излучения в диапазоне f, определяемом необходимым пространственным разрешением вдоль направления зондирования

и с шагом по частоте df, определяемым однозначностью интерпретации глубины зондирования

где l - пространственное разрешение, L - глубина зондирования, с - скорость света в вакууме.

Предлагаемый способ иллюстрируется фиг.1 - 3. На фиг.1 представлена схема распространения зондирующего излучения. Зондирующее излучение с амплитудой А₀ падает на границу раздела сред 2, на которой часть излучения отражается с амплитудой A₁, а другая часть проходит через границу и, отражаясь от обеих поверхностей объекта 1, возвращается через границу 2 с амплитудами А₂ и А₃. Результирующее электромагнитное поле, отраженное от границы 2 и от объекта 1, равно векторной сумме трех волн с амплитудами A₁, А₂, А₃ и с фазами, определяемыми электрической длиной путей, пройденных этими волнами. Частотная зависимость интенсивности результирующего электромагнитного поля содержит, как минимум, три гармонические компоненты с периодами по частоте, равными (при углах преломления близких к нулю):

где с - скорость света в вакууме, l_m - расстояние от границы раздела сред 2 до первой поверхности объекта, l_ob - расстояние между первой и второй поверхностями объекта, _m' - вещественная часть относительной диэлектрической проницаемости конденсированной среды, _ob' - вещественная часть относительной диэлектрической проницаемости объекта, - электрическая длина объекта, - электрическая глубина расположения объекта.

Таким образом, спектр частотной зависимости интенсивности отраженного сигнала должен содержать три компоненты, положение которых определяется электрической длиной объекта в направлении зондирования и электрической глубиной его расположения в среде. В качестве критерия идентификации объекта предлагается использовать значение функции корреляции между спектром частотной зависимости интенсивности измеренного отраженного сигнала и модельным спектром, сформированным согласно формулам 3-5 при варьировании двух параметров (для случая идентификации неизвестного объекта) - электрической длины объекта и электрической глубины его расположения в среде, или одного параметра (для случая известного объекта) - электрической глубины расположения. Значение функции корреляции берется при значении аргумента, равном нулю.

На фиг.2 представлен нормированный на максимальное значение спектр частотной зависимости интенсивности результирующего отраженного электромагнитного поля при зондировании конденсированной среды (речной песок при весовой влажности 0,2%) с расположенным в ней на электрической глубине 95 мм цилиндром (диаметр цилиндра 70 мм) из фторопласта (_оb'=2.1) с электрической длиной в направлении зондирования 57 мм. Зондирование произведено в интервале изменения частоты от 17 ГГц до 25 ГГц и с шагом изменения частоты 22 МГц (пространственное разрешение в направлении зондирования l=c/2f=19 мм, длина однозначной интерпретации глубины зондирования L=c/2df=6800 мм). По горизонтальной оси отложена электрическая длина l_е в миллиметрах, связанная с частотой в преобразовании Фурье по формуле

где с - скорость света в вакууме, - циклическая частота в преобразовании Фурье. Зондирование производилось с помощью панорамного измерителя с двухпозиционным расположением передающей и приемной рупорных антенн. Эффективность предлагаемого способа идентификации может быть проиллюстрирована на примере наиболее простого случая - идентификации объекта с известной электрической длиной в направлении зондирования (в данном случае - 57 мм). На фиг.3 представлены два случая: функции корреляции спектра измеренного сигнала (см. фиг.2) и модельных спектров при вариации глубины расположения фторопластового цилиндра с известной электрической длиной 57 мм (фиг.3,а) и функции корреляции того же спектра измеренного сигнала и модельных спектров, сформированных при учете отражения только от границы раздела сред и от первой границы цилиндра (фиг.3,б), что в рамках модели эквивалентно металлическому объекту (А₃=0, фиг.1). Шаг вариации глубины расположения объекта составляет 10 мм, то есть величину ~ 1/2l. Значения варьируемой глубины расположения объекта приведены на графиках и составляют 75 мм, 85 мм и 95 мм. Правильный выбор значения глубины расположения объекта в среде соответствует максимальному значению функции корреляции при значении аргумента (сдвиг электрической длины), равном нулю. На фиг.3,б максимальное значение 0,7 функция корреляции достигает при значении глубины, равном 95 мм, что свидетельствует о том, что в зондируемой среде существует отражающая поверхность, расположенная на глубине 95 мм. Наличие боковых максимумов на приведенных кривых фиг.3,б говорит о том, что спектр измеренного сигнала содержит более одной гармонической компоненты. На фиг.3,а приведены функции корреляции для тех же значений глубины расположения объекта, но уже при учете того, что электрическая длина объекта (диэлектрический фторопластовый цилиндр) равна 57 мм. На данном графике видно, что максимальное значение функции корреляции равно 0,97 (при сдвиге электрической длины, равном нулю). Из сравнения фиг.3,а и фиг.3,б следует, что, во-первых, в зондируемой среде находится диэлектрик (корреляция 0,97), а не металл (корреляция 0,7) и, во-вторых, что максимальное значение корреляции достигается при условии, что модельный спектр сформирован для фторопластового цилиндра с мм, расположенного на глубине 95 мм, что соответствует условиям эксперимента.

Из фиг.3,а и фиг.3,б также следует, что погрешность определения искомого параметра меньше 10 мм.

В общем случае неизвестной электрической длины объекта и неизвестной глубины его расположения в среде ищется максимальное значение корреляции при варьировании двух параметров модельных спектров: электрической длины объекта и электрической глубины его расположения.

Данный способ не зависит от фазово-частотных характеристик аппаратуры, не требует фазовых измерений и может быть применен на стандартной аппаратуре. Способ был опробован в трех частотных диапазонах: 5-8 ГГц, 8-12 ГГц, 17-25 ГГц. В зависимости от частотного диапазона и характеристик используемой аппаратуры способ может применяться при зондировании как сред с малым поглощением, так и сред с существенным поглощением, например почв.

Формула изобретения

Способ идентификации диэлектрических объектов, включающий подповерхностное зондирование среды частотно-модулированным непрерывным СВЧ-излучением и регистрацию отраженного сигнала, отличающийся тем, что перестройку частоты осуществляют в диапазоне f, определяемом необходимым пространственным разрешением в направлении зондирования и вычисляемом по формуле

где l - пространственное разрешение;

с - скорость света в вакууме,

а регистрацию отраженного сигнала производят на частотах с шагом df, выбираемым в зависимости от глубины зондирования и вычисляемым по формуле

df<c/2L,

с - скорость света в вакууме,

и за критерий идентификации объекта принимают значение корреляции спектра частотной зависимости интенсивности отраженного сигнала и спектра модельного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3