Разработка методов обнаружения движущихся металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах

Актуальность работы. Особенности распространения электромагнитных волн в геосредах широко используют при создании устройств для решения фундаментальных задач горного дела. Одним из актуальных направлений является обнаружение различного рода аномалий с помощью электромагнитных методов (индукционного, магнитометрического, радиолокационного, радиопросвечивания и т. п.). С помощью таких методов можно получить информацию о наличии объектов (например, коммуникаций, трубопроводов, строительной арматуры, бурильного оборудования и т. п.), расстоянии до них и по возможности определить материал, из которого изготовлен объект поиска (далее ОП). Поэтому возникает необходимость в создании компактных, помехоустойчивых систем обнаружения.

В связи с тем, что в последние годы широкое распространение получил бестраншейный способ прокладки подземных коммуникаций с помощью специальных машин — пневмопробойников, актуальным стал вопрос определения координат движущихся подземных объектов. Существующие зарубежные и отечественные системы определения координат подземного технического устройства не обеспечивают достаточную дальность, вследствие работы по магнитной компоненте электромагнитного поля, и достоверность определения местоположения, а также помехоустойчивость по отношению к коммуникациям и металлическим объектам, из-за работы в низкочастотной области (единицы-десятки кГц). Использование ультракоротковолнового (УКВ) диапазона повысит помехоустойчивость систем обнаружения, упростит конструкцию, сделает ее компактной, улучшит энергетические показатели, а работа по электрической компоненте электромагнитного поля — повысит дальность метода обнаружения движущегося пневмопробойника в грунте (т.к. электрическая компонента элек тромагнитного поля связана с магнитной компонентой соотношением: Н = —, где 2 — сопротивление среды).

Целью диссертационной работы является разработка методов обнаружения движущихся проводящих ОП в непроводящих и слабопроводящих средах, а так же выбор оптимальных методов обнаружения для решения конкретных задач.

Идея работы состоит в использовании УКВ диапазона (десятки МГц) для повышения помехоустойчивости и чувствительности индукционного метода обнаружения токопроводящих объектов, метода обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника в грунте, а также использование движущихся подземных объектов в качестве антенн простейшего типа для получения приемлемых для обнаружения характеристик.

Объект исследования — геосреда с движущимися в ней токопроводящими.

ОП.

Предмет исследований — характер и закономерности взаимодействия проводящего ОП с системой обнаружения.

Задачи исследований:

— для метода радиопросвечивания определить плотность потока мощности в точке приема, создаваемую изотропным излучателем, расположенным в массиве горных пород. Обеспечить учет зависимости электромагнитных свойств горных пород от рабочей частоты передатчика;

— рассчитать основные параметры индукционного датчика (индуктивность, дальность обнаружения) при его работе в УКВ диапазоне на небольших дальностях (< А/4) при размерах объекта, соизмеримых с размерами датчика;

— разработать варианты практической реализации индукционного обнаружителя металлических тел в УКВ диапазоне, провести экспериментальные исследования его чувствительности и дальности обнаружения эталонных металлических объектов;

— разработать и реализовать метод обнаружения и определения пространственной ориентации пневмопробойника, движущегося горизонтально в однородной среде, при минимальных вмешательствах в его конструкцию;

— практически проверить заявленные преимущества предлагаемых методов.

Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опытасопоставление теоретических и экспериментальных исследований индукционного метода обнаружения в УКВ диапазонематематическое моделирование и экспериментальное исследование диаграммы направленности модели пневмопробойникаопытная проверка разработанного метода определения пространственной ориентации пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1) повышение рабочей частоты до УКВ диапазона улучшает конструктивные характеристики (вес, габариты) и чувствительность индукционной измерительной системы;

2) для излучающей антенны, расположенной в грунте, появление дополнительных лепестков и сближение основных лепестков диаграммы направленности, уровень которых оценивается по половинной мощности и зависит от электромагнитных свойств горных пород, происходит на более низкой частоте, чем для воздушной среды, что повышает разрешающую способность по углу при реализации систем обнаружения подземных объектов;

3) использование метода пеленгации для создания системы обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника позволит более точно отслеживать его координаты в грунте.

Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических, экспериментальных лабораторных и натурных данных, полученных с помощью современных методов исследований в реальных условиях.

Научная новизна диссертации:

— разработаны методики расчета параметров индукционного датчика для обнаружения металлических объектов соизмеримых с размерами датчика, в непроводящей среде для УКВ диапазона электромагнитных волн;

— установлено, что при реализации индукционного метода обнаружения в УКВ диапазоне упрощается конструкция системы обнаружения за счет объединения каналов приема/передачи, повышается чувствительность системы;

— разработан и обоснован метод радиопросвечивания для определения пространственной ориентации пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте, при котором пневмопробойник используется в качестве передающей антенны простейшего типа.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена автором по результатам исследований, в которых она принимала непосредственное участие: при проведении теоретических расчетов и экспериментальных работ, математическом моделировании с использованием современных компьютерных программ.

Практическая ценность работы:

— предложена реализация индукционного метода обнаружения токопрово-дящих ОП в УКВ диапазоне, а так же варианты практического исполнения индукционного обнаружителя металлических тел;

— разработан и реализован метод, позволяющий отслеживать курс движения пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте, использование данного метода позволит расширить возможности применения пневмопробой-ников.

Реализация результатов работы: создан опытный образец индукционного датчика, экспериментально исследовано его взаимодействие с эталонными металлическими объектамисоздано оборудование, а именно: приемное устройство, генератор, модель передающей антенны — несимметричного вибратора для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойника в грунте. Проведены его полевые испытания. Для контроля работоспособности генератора, подключенного к передающей антенне, и для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойника в воздухе был изготовлен индикатор электрической компоненты электромагнитного поля. L 8.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях: «Информационная безопасность в системе высшей школы» (г. Новосибирск, 2000), «Рдултовские научные чтения» (г. Санкт-Петербург, 2003), «Вооружение, безопасность, конверсия» (г. Пенза, 2004), «Наука. Промышленность. Оборона» (1921 апреля 2006, г. Новосибирск) — Международных конференциях: «Proceeding of a Second IASTED International Multi-Conference on Automation, control and information technology» (ACIT 2005, г. Новосибирск), «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2004), «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Новосибирск, 2006) — научном симпозиуме «Неделя Горняка 2005» (г. Москва) — часть работы является лауреатом конкурса молодежных проектов им. М. А. Лаврентьева (2006;2007 г.) и конкурса «Лучшие аспиранты РАН 2006 года».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе два патента РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 153 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 90 наименований. Диссертация содержит 53 рисунка, 33 таблицы.

ВЫВОДЫ ПО ПЯТОЙ ГЛАВЕ.

1. Разработаны схемы генератора и устройства обработки информации для проведения экспериментальных исследований диаграммы направленности модели пневмопробойника, изготовлены их опытные образцы, измерены основные характеристики (рабочие частоты, чувствительность приемного устройства, излучаемая мощность генератора). Для контроля работоспособности генератора, подключенного к передающей антенне и для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойника в воздухе был изготовлен индикатор электрической компоненты электромагнитного поля.

2. С целью повышения точности работы системы, в качестве приемных предложено использовать антенны компактных размеров с более узкой диаграммой направленности, например, антенны типа «волновой канал» — дирек-торные антенны. Одновременное применение и рефлектора и директора приводит к увеличению коэффициента направленного действия антенны.

3. В качестве передающей антенны предложено использовать несимметричный вибратор представляющий собой модель пневмопробойника ИП4603 -дюралюминиевая труба диаметром 40 мм и длинной 1500 мм, функцию другого (более короткого) плеча вибратора выполнил дюралюминиевый диск диаметром 115 мм, толщиной 10 мм. Оба плеча вибратора разделены друг от друга диэлектриком в виде диска из полистирола диаметром 120 мм и толщиной 20 мм.

4. Экспериментально измерены диаграммы направленности по электрической компоненте электромагнитного поля для модели пневмопробойника, расположенной в воздухе и в грунте (при расположении приемной антенны на поверхности земли и в приемном приямке). Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования позволило сделать следующие выводы: при расположении приемной антенны в приемном приямке диаграмма направленности сужается, происходит концентрация энергии, излучаемой передатчиком в направлении расположения приемной антенны, что повышает точность определения координат подземного объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, являющейся научно-квалификационной рабой, на основе выполненного обобщения и анализа методов обнаружения металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах, теоретических расчетов, математического моделирования посредством современных компьютерных программ и экспериментальных исследований предложены новые подходы при разработке систем обнаружения работающих на базе известных методов, которые позволят определять координаты движущегося подземного объекта, повысить чувствительность, помехоустойчивость и упростить конструкцию современных систем.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. На основании литературного анализа установлены зависимости электромагнитных свойств геосред от рабочей частоты передатчика, что позволило рассчитать плотность потока мощности в точке приема для определения максимальной дальности обнаружения подземных объектов методом радиопросвечивания.

2. Индукционные системы обнаружения, вследствие работы на частотах единицы-десятки кГц обладают низкой помехоустойчивостью по отношению к внешним естественным и искусственным помехам, имеют раздельный канал приема/передачи, большие габариты и энергопотребление. Предложены модели взаимодействия индукционной системы обнаружения с проводящим ОП, размеры которого примерно равны размерам антенны датчика. Теоретически рассчитаны параметры индукционной системы (рабочей частоты, индуктивности, дальности обнаружения) в УКВ диапазоне.

3. Разработаны варианты практической реализации индукционного обнаружителя металлических тел, которые за счет использования УКВ диапазона позволят обеспечить: повышенную чувствительность системыупростить ее конструктивное исполнение (уменьшить вес и габариты).

4. В последнее время перспективным является направление по созданию управляемых пневмопробойников, поэтому возникает необходимость в системах обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника в грунте. Существующие разработки в данном направлении (в основном зарубежные) не обеспечивают достаточной точности и дальности при определении координат пневмопробойника ввиду их работы в низкочастотной области с использованием магнитной компоненты электромагнитного поля.

5. Для определения координат движущегося пневмопробойника в грунте в горизонтальной плоскости обоснована и предложена система обнаружения, состоящая из двух приемных устройств, расположенных горизонтально в приемном приямке, и передающего устройства. При этом пневмопробойник, для формирования заданной диаграммы направленности, используется в качестве передающей антенны простейшего типа — несимметричного вибратора, при минимальных вмешательствах в его конструкцию.

6. Произведено математическое моделирование диаграммы направленности модели пневмопробойника марки ИП4603 в воздухе и в геосредах типа суглинок и супесь. Результаты моделирования сравнивались с полученными экспериментально диаграммами направленности модели пневмопробойника.

7. Разработан графоаналитический метод расчета изменения напряжений на входе приемников. Установлено, что оптимальная рабочая частота, при которой мощность передающей антенны приемлемо сконцентрирована по направлению к приемникам, равна 150 МГц. По данным теоретических расчетов и результатам моделирования диаграммы направленности модели пневмопробойника марки ИП4603 сделан вывод, что система способна регистрировать отклонения подземного технического устройства от заданного курса на 5° и более на расстоянии 20 м для среды супесь и 10 м для среды суглинок при чувствительности приемников единицы мкВ.

8. Теоретически доказано, что расположенные на расстоянии 1 м от пнев-мопробойника подземные коммуникации диаметром 1 м наводят отраженный сигнал в приемнике, который по напряжению меньше полезного сигнала создаваемого передатчиком более чем на 7 дБ. Это позволяет сделать вывод о том, что расположенные вблизи работающего пневмопробойника коммуникации слабо влияют на информацию об угле отклонения пневмопробойника.

9. Для проведения экспериментальных и натурных исследований изготовлены: передающее и приемное устройства. С целью повышения точности работы системы в качестве приемных предложено использовать антенны компактных размеров с более узкой диаграммой направленности, например, типа «волновой канал» — директорные антенны.

10. В качестве передающей антенны использовался несимметричный вибратор представляющий собой модель пневмопробойника (марки ИП 4603) -дюралюминиевая труба диаметром 40 мм и длинной 1500 мм, функцию другого (более короткого) плеча вибратора выполнил дюралюминиевый диск диаметром 115 мм, толщиной 10 мм. Оба плеча вибратора разделены друг от друга диэлектриком в виде диска из полистирола диаметром 120 мм и толщиной 20 мм.

11. Измерены диаграммы направленности по электрической компоненте электромагнитного поля модели пневмопробойника в воздухе и в грунте. Результаты эксперимента сошлись с результатами моделирования в программе HFSS Agilent 5.6. с приемлемой точностью.

12. Экспериментально доказано, что использование метода пеленгации при создании системы обнаружения и определения координат подземных объектов позволит более точно отслеживать положение объекта при его движении, а использование УКВ диапазона и размещение приемных антенн в приемном приямке позволяет повысить помехоустойчивость по отношению к естественным и внешним помехам, поскольку исключается прямая видимость.

13. Экспериментально доказано, что при расположении приемной антенны в приемном приямке точность определения координат подземного объекта выше, чем при расположении приемной антенны на поверхности земли за счет сужения диаграммы направленности передающей антенны, т. е. концентрации энергии, излучаемой передатчиком, в направлении расположения приемной антенны.