Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 105

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

2

 

 

12

42

11

17

3

-

 

 

15

25

3

3

1

-

 

 

18

18

-

-

-

-

 

 

21

12

-

-

-

-

 

25.09

0

68

53

65

66

42

высота волны 0.2 м Скорость ветра 1.5—4 м/с

 

3

34

27

47

35

18

 

 

6

18

16

19

16

15

 

 

9

9

6

10

9

8

 

 

12

4

2

10

4

7

 

 

15

6

-

-

-

-

 

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 1 8 9

Как следует из табл. 2, источники дискретных помех существуют на протяжении всего года, только различна частота их появления по месяцам. Характер распределения числа дискретных помех в зависимости от угла места луча антенны и ослабления атте­нюатора на входе приёмника показан в таблице 3. Источники дискретных помех имеют различную эффективную поверхность рассеяния, а их число имеет тенденцию убывания с увеличением угла места. В условиях проведённых экспериментов наибольшее число ис­точников дискретных помех находилось на расстоянии 10—15 км от береговой черты в утренние и вечерние часы. Днём это расстояние увеличивалось до 20—25 км. В основном характер движения источников помех одинаков, но направление движения может быть самым различным. В условиях проведённых экспериментов скорость движения источни­ков дискретных помех составляла 6—28 м/с, достигая величины 35 м/с. Наибольшая про­должительность их существования наблюдается в тёплые безветренные дни и достигает 4—5 мин. При ветреной погоде время существования может сокращаться до десятков се­кунд.

Спектральные характеристики сигналов, отражённых от источников дискретных помех, отличаются большой изменчивостью и нестабильностью. Текущий спектр отра­жённых сигналов имеет самую разнообразную форму от узкой дискретной линии, изме­няющейся по частоте во времени, до широкого почти прямоугольного спектра, характер­ного для частотно-модулированного сигнала. Он может состоять из нескольких узкопо­лосных линий, которые в течении времени то сливаются в одну, то расширяются на две или несколько спектральных полос. Статистические характеристики спектров для раз­личных значений интервалов стационарности Тс : среднее значение доплеровской часто­ты Ед , доверительные интервалы Ед ± 8Ед при доверительной вероятности р = 0.9 ,

среднее квадратическое отклонение (СКО) частоты оЕд , доверительные интервалы дис­персии оЕд ± 8оЕд прир = 0.9 приведены в таблице 4, для диапазона ^=10.6 см.

Т с

Ед , Гц

Ед ±5Ед , Гц

оЕд ,Гц

оЕд ± 5оЕд , Гц

36

301

276—326

64

42.3—85.7

30

353

335—371

35.9

24.6—47.2

30

278

235—322

36.4

26.4—46.4

54

196

172.9—219.3

63.6

49.6—77.6

30

166

156.8—176.8

19.9

15.7—24.1

24

42

0—86

77.4

52.8—102

48

318

268—369

126.3

74.6—178

36

325

208—343

36.5

27.4—54.6

24

276

249—303

47.95

35.7—60.2

24

168

137.2—200.7

54.65

43.4—65.9

66

193

183.3—203.6

29.05

21.7—36.4

24

142

161—123

36.45

24.7—48.2

48

71

30—112

38.1

22.4—53.8

Таблица 4

Условия наблюдения

ветер переменный до 10—12 м/с.

Интервал стационарности определялся по критерию Тьюки в одной и той же реали­зации ( т. е. реализация отражённого сигнала состояла из набора нескольких стационар­ных участков с разными статистическими параметрами) [4]. Для исследования типов ис­точников дискретных помех средняя частота Ед , соответствующая максимальной спек­тральной плотности, изменяется в пределах от 23 до 353 Гц. Время корреляции на уровне 0.1 составляет 1.5—17 с. Интервалы стационарности, на которые разбивалась реализация и

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 1 90на которых находились ¥Д и время корреляции, составляют 24—70 с. Ширина спектров

сигналов, отражённых от дискретных источников помех, в диапазоне ^=10.6 см. состав­ляет на уровнях: -3 дБ - 1.3—65 Гц; -10 дБ - 1.3-85 Гц; -15 дБ - 1.3-117 Гц; -20 дБ -2.5—114 Гц. Изменение ширины спектра на уровнях до -10 дБ достигают величины 25—85 Гц, в некоторых случаях 150 Гц. Флуктуации ширины спектра на уровне -15 дБ носят резко выраженный характер и могут достигать 400 Гц (половины частоты следования). Быстрому изменению доплеровской частоты соответствует значительное расширение спектра практически на всех уровнях. Но бывают реализации, в которых расширение спектра не происходит, и спектр не отличается от спектра надводных объектов. Результа­ты исследований текущих спектров в диапазоне Х=3.2 см (¥Д , А¥д) приведены в табл. 6

Таблица 6

 

 

 

 

№-20дБ , Гц

 

1550

38

113

275

500

-

1462

25

63

212

212

-

1588

125

175

250

350

450

1788

25

300

375

500

625

1575

25

200

250

400

550

1325

37

50-200

62-240

500

750

1550

125

188

212

375

425

1562

25

550

575

700

875

1325

25

125

188

275

450

1062

75

100

125

200

-

1175

125

150

200

288

338

825

63

150

150

175

338

Условия наблюдения ветер до 16 м/с

Выводы:

• Отражения от «ангел-эхо» (источников дискретных помех) над морской поверх­ностью в акватории Чёрного моря в диапазоне волн ^=10.6 см и Х=3.2 см наблюдаются практически ежедневно круглый год. Количество отражений особенно велико на малых углах места.

• Время существования источников дискретных помех может достигать десятков минут, траектории перемещения носят хаотический или частично упорядоченный по на­правлению ветра характер, скорость перемещения может достигать величины порядка 25-35 м/с.

• Доплеровский сдвиг спектра отражений от источников дискретных помех сигна­лов и ширина спектра флюктуаций носят случайный характер со средними значениями, зависящими от направления и скорости ветра в момент проведения эксперимента.

Литература.

1. Черников А.А. Радиолокационные отражения от ясного неба. Л., Гидрометеоиз-дат,1979, с 68-72, 97-113.

2. Степанов В.Д. Радиолокация в метеорологии. М., Гидрометеоиздат, 1973, с. 120­134.

3. Морская радиолокация. Под ред. Винокурова В.И. Л., Судостроение,1986, с 111­125

4. Закс Л. Статистическое оценивание. М., Статистика, 1976 с 45-67.

5.Stehwien W. Haykin S. Parametric Analysis of Radar Clutter. Int. Elek. Electron Proc. Toronto, 1983, p. 136-139.

СРРСН'2008

I . 2 - 1 9 1

ПРИМЕНЕНИЕ ФАЗОВОЙ СТРУКТУРЫ СИГНАЛОВ ПРИ ПОДПОВЕРХНОСТНОМ ЗОНДИРОВАНИИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНКИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТОВ И НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

Сугак В.Г., Сугак А.В. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова Национальной Академии Наук Украины, отдел статистической радиофизики, тел.: (0572) 720-33-33 E-mail: sugak@ire.kharkov.ua; факс: (0572) 315-21-05 The new method for signal processing related to the Ground Penetrating Radar (GPR) op­erating on the base of Stepped Frequency Continuous Wave (SFCW) is being analyzed for small objects detection and extraction of additional information about their physical properties placed in subsurface space. The method is based on use of signal phase structure which is repre­sented in form of isoclines corresponding to phase value of n2n. Curvatures of the isoclines in places of inhomogeneities dislocations is defined by change of objects physical properties. It is confirmed by the measurements which have been implemented with the use of experimental model of radar. Sounding results were compared on the same trace at presence of and absence under it of a small metallic object.

Развитие современных радиолокационных систем подповерхностного зондирова­ния, предназначенных для обнаружения и классификации неоднородностей подповерх­ностной структуры грунта, требует поиска принципиально новых математических алго­ритмов обработки сигналов для улучшения интерпретации результатов зондирования.

В данной работе рассматривается возможность использования фазовой структуры отраженных сигналов для обнаружения и оценки физических свойств локальных объек­тов, находящихся в подповерхностном пространстве. Эта возможность сравнительно лег­ко реализовывается при использовании зондирующего сигнала с пошаговым изменением его несущей частоты (ПИНЧ). Для этого требуется измерять квадратурные составляющие принимаемого сигнала на выходе фазового детектора приемника.

Показано, что фазовая структура сигналов содержит дополнительную информацию о физических свойствах объектов под поверхностью земли, которую невозможно полу­чить, измеряя только амплитуду отраженных сигналов.

Методы обработки сигналов, учитывающие их фазовую структуру. После при­менения преобразования Фурье к квадратурным составляющим сигналов на выходе фа­зового детектора в георадаре с ПИНЧ, необходимое для перехода в частотную область представления сигналов, в которой частота пропорциональна значениям глубины, мы по­лучаем выражение для комплексной спектральной плотности:

S(П)=|S(П)|exp(((Q)) , (1)

где |S- модуль спектральной плотности; ((О) - фазочастотный спектр отражен­ных сигналов.

В этом выражении фазочастотная составляющая спектра характеризует зависи­мость фазы спектральных компонент сигналов, отраженных от неоднородностей в под­поверхностном пространстве, от частоты (которая в данном случае пропорциональна глубине).

Если рассмотреть фазовый коэффициент распространения радиоволн в среде с по­терями и применить разложение в ряд Маклорена выражения, описывающее зависимость этого коэффициента от электрических характеристик среды, то можно получить зависи­мость дополнительного фазового сдвига спектральных компонент, характеризующих ам­плитуду отраженного сигнала в каждом элементе разрешения зондирующего сигнала, от глубины [1]:

АФ= ~      ^      dn, (2)где йп - дискретное значение глубины; а - удельная проводимость среды; га - абсолют­ная диэлектрическая проницаемость среды, со - круговая частота, и - фазовая скорость распространения радиоволны, определяемая выражением, р - магнитная проницаемость среды.

Видно, что фазовый коэффициент, являющийся множителем дискретного значения глубины, определяется электрическими характеристиками среды и задает скорость нарас­тания фазы с глубиной.

Таким образом, на каждой спектральной составляющей сигнала на выходе фазово­го детектора приемника георадара присутствует фазовая составляющая, которая линейно зависит от глубины (частоты). Скорость нарастания по частоте (глубине) этой состав­ляющей определяется характеристиками среды.

Рассмотрим влияние зависимости электрических характеристик грунтов от литоло-гического состава пород (процентное содержание глинистой и песчаной фракций в сме­си) и влажности на фазовый коэффициент. Модель, описывающая указанные зависимо­сти электрические характеристик пород грунта подробно изложена в работе [2], поэтому здесь она не приводится.

На рис. 1 показаны кривые, характеризующие зависимость постоянного фазового коэффициента, который входит множителем дискретного значения глубины, от объемной влажности. Каждая кривая соответствует определенному типу грунта, который характе­ризуется процентным содержанием песчаной и глинистой фракций.

2

кф(П)

1 /

2/ ! /

и

 

£ / *           1 / ? \/

 

/ / / / / / / / / / /

/ І

/ /Скачок фазы, / /обусловленный /   локальной не-

 

/ '

/ однородностью

--►

1 - песок 30%, глина - 70%; 2 - песок 50%, глина - 50%; 3 - песок 70%, глина - 30% Рис. 1. Зависимость фазового коэффициента от влажности

Рис. 2. Фазочастотный спектр сигнала, прошедшего либо однородную среду

(кривая 1), либо среду, в которой находится неоднородность (кривая 2)

0

Видно, что величина фазового коэффициента существенно зависит от объемной влажности и литологического содержания пород грунта.

Если мы имеем однородную структуру грунта по глубине, то фазочастотный спектр будет характеризоваться линейным нарастанием фазы по глубине. Так как при вычисле­нии фазочастного спектра используется стандартные функции, то линейное нарастание фазы будет только в диапазоне например, от 0 до + 2п с последующим скачком в 0. Таким образом, в рассматриваемом случае мы получаем примерно следующий результат, пока­занный на рис. 2 в виде кривой 2.

Скорость нарастания фазового сдвига определяется электрическими характеристи­ками среды или скоростью распространения радиоволн в среде. Например, кривая 1 на рис. 2 соответствует среде, в которой влажность выше, а скорость распространения ра­диоволн меньше, чем для среды, которой соответствует кривая 2. При наличии локальной неоднородности в подповерхностном пространстве будет наблюдаться скачок фазы наопределенной глубине (частоте), который будет иметь вид, подобный представленному, например, на рис. 2. При этом достижение кривой максимального значения, равного +2п уже будет на другой частоте (глубине). То есть будет наблюдаться смещение максималь­ного значения фазы на некоторую величину, которая зависит от величины скачка фазы. При наличии неоднородности другого характера (речь идет о том, является она «оптиче­ски» более плотной или менее плотной по сравнению с окружающей средой) скачок фазы будет другого знака и, соответственно, смещение максима произойдет в другую сторону. Таким образом, по расстоянию между максимальными значениями фазового сдвига и их смещению в фазочастотном спектре отраженных сигналов, можно судить о физических свойствах самой среды и локальных неоднородностях.

Описанная методика также будет давать положительные результаты в том случае, когда используется вся информация о фазовой структуре, получаемая по всему профилю движения георадара, так как в данном случае можно сравнивать результаты в соседних точках зондирования или на ограниченных участках профиля. При смене геоморфологи­ческой структуры грунта по профилю движения георадара или наличии локальных участ­ков, отличающихся, например, повышенной или пониженной влажностью, будут наблю­даться изменения фазового сдвига в фазочастотном спектре отраженных сигналов.

Краткое описание георадара с ПИНЧ. Разработанная модель георадара позволяет работать в любой полосе частот в диапазоне от нескольких десятков килогерц до 300 МГц с использованием зондирующего сигнала с пошаговым изменением несущей часто­ты. Георадар позволяет принимать и запоминать амплитудно-фазовую структуру сигна­лов, отраженных от неоднородностей подповерхностной структуры пород. При приеме отраженных сигналов, последние после квадратурного фазового детектора преобразуют­ся в цифровую форму и накапливаются в микропроцессорном блоке, который также осу­ществляет управление всеми узлами георадара, включая синтезаторы частот. Излучаемая мощность равняется примерно 2-3 Вт. Излучение и прием сигналов осуществляется на одну и ту же антенну.

Представление информации о фазовой структуре сигналов. Рассмотрим один из методов представления фазочастотных спектров. Обычно для представления результатов подповерхностного зондирования применяется двумерное изображение квадратов ампли­туд спектральных компонент отраженных сигналов, полученных по всему профилю дви­жения георадара. Подобное представление целесообразно применить и для представле­ния фазочастотных спектров.

В данном случае при таком же способе представления изображения показываются в виде зачерненных участков, соответствующих максимумам фазовых сдвигов (значений + 2п), располагающихся сравнительно периодично по глубине, причем при наличии ло­кальных зон или слоев грунта, на которых имеются отличия в фазовой скорости распро­странения радиоволн, будут наблюдаться смещения положения этих максимумов по глу­бине.

Сказанное иллюстрирует рис. 4, на котором в соответствии с выше изложенным представлены три изображения фазовой структуры сигналов по одному и тому же про­филю движения георадара, полученное на участке территории гидропарка (г. Харьков) (рис. 3). Наличие обрыва в месте проведения измерений позволило пробурить небольшое отверстие под трассой движения георадара и помещать в это отверстие металлического предмета. Задача состояла в обосновании возможности обнаружения и оценке электрофи­зических свойств сравнительно небольшого цилиндрического металлического объекта диаметром примерно 8 см и длиной порядка 40 см. Первое изображение соответствует исходному состоянию, в котором грунт не был нарушен. Второе - когда на глубине при­мерно 1,2м примерно в центре трассы был помещен указанный объект. Третье изображе­ние является результатом разницы первых двух.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа