Анализ характеристик подповерхностного радиолокатора в частотной области

Подповерхностное радиозондирование земных покровов имеет большую историю. Еще в 1912 г. Г. Леви и Г. Леймбах предложили использовать интерференционный метод для поиска руд и воды, известны также работы А. А. Петровского по изучению верхних слоев земли путем измерения полей радиоволн, распространяющихся вдоль поверхности земли или через слои определенной толщины [26] (1925 г.). С тех пор появилось множество вариантов интерференционного метода. Применительно к ледникам этот метод экспериментально опробован В. Штерном в 1929 г., а для определения уровня грунтовых вод в пустыне — Эль-Саидом в 1956 г. [26].

Следующим шагом в развитии подповерхностного зондирования стали индукционные и радиоволновые методы. В индукционном методе для поиска металлических объектов много меньше длины волны использовались квазикогерентные низкочастотные сигналы. В радиоволновом методе для поиска диэлектрических и металлических объектов, соизмеримых с длиной волны, использовались КВ, УКВ, СВЧ сигналы. Оба типа устройств используют квазикогерентные сигналы и поэтому способны определять только локализацию неоднородности (проекцию на поверхность земли), но не способны определять ее глубину. Индукционные методы широко используются и сейчас для обнаружения металлических объектов.

Для полной локализации подповерхностных объектов (квазиточечных, удлиненных или границ слоев), то есть определения их глубины, требуется использование методов классической радиолокации. Еще в 1946 г. пилоты США при полетах над Антарктидой наблюдали ошибки в показаниях бортовых радиовысотомеров (классических узкополосных радиолокаторов), обусловленные проникновением радиоволн в толщу льда и появлением сигнала, отраженного от его нижней границы [26, 27]. Затухание радиоволн УКВ диапазона в пресных льдах очень мало (около 0,1 дБ/м), поэтому условия радиолокационного определения высоты с борта самолета мало отличалось от зондирования толщи льда. С 1963 г. импульсные радиовысотомеры уже целенаправленно были использованы для определения толщины материковых ледников в Гренландии и Антарктиде [26].

В отличие от пресного льда, грунт, соленый лед и другие среды обладают весьма ощутимым затуханием. В этом случае экспоненциальный множитель ослабления в подавляющем большинстве сред существенно превосходит степенную зависимость ослабления, имеющую место в классической радиолокации. Максимальная глубина зондирования на порядки меньше, чем при радиолокационных измерениях в воздухе. Например, в УКВ диапазоне она редко превышает единицы метров. Для получения хотя бы десяти зон разрешения в пределах реализуемой глубины обнаружения необходимо было максимально расширить спектр зондирующего сигнала, учитывая при этом возрастание затухания с ростом частоты. Средняя частота спектра должна быть минимальной, чтобы достичь наибольшей возможной глубины зондирования. Все это и обусловливает необходимость использования в подповерхностной радиолокации сверхширокополосных (СШП) сигналов, у которых относительный диапазон спектра достигает октавы и более.

Традиционно заранее сформированный радиолокационный сигнал, имеющий спектр 5″ 1(/), излучался антенной с частотной характеристикой Кт (/). Рабочая полоса частот антенны, которая выполняет в данном случае роль фильтра при преобразовании электрического сигнала в электромагнитное поле зондирующего сигнала, должна была быть приблизительно равна или несколько шире эффективной ширины спектра возбуждающего сигнала. В этом случае излучаемый сигнал претерпевал минимальные искажения по отношению к исходному сигналу Соизмеримость эффективной полосы частот сигнала и полосы частот антенны приводит к сужению спектра излучаемого электромагнитного поля Зу^/) = $(/)Кт (/). На заре появления техники подповерхностного зондирования в начале 60-х годов Дж. Куком [38] был предложен эффективный метод получения ультракоротких импульсов при возбуждении антенн либо коротким импульсом с длительностью хи «1//о (/о — резонансная частота антенной системы), либо перепадом напряжения с фронтом такой же длительности. В этом случае в формировании излучаемого сигнала участвует практически только частотная характеристика антенны Кт{/) и реализуется максимальная ширина спектра. Этот способ был реализован независимо и другими исследователями, в том числе В. Т. Поляковым в 1963;64 г. в МФТИ, а в настоящее время считается общепринятым для формирования сверхширокополосных импульсов излучения.

Среди пионеров подповерхностной радиолокации в России можно назвать несколько организаций. Группа М. И. Финкельштейна (РИИГА, г. Рига) с 1966 г. исследовала возможности радиолокации с борта самолета или вертолета для исследования толщины пресных льдов [25, 26]. В начале 70-х годов были проведены экспериментальные измерения с самолета толщины морских льдов и глубины водоносных слоев в пустынных районах Средней Азии. Подповерхностное зондирование с борта летательного аппарата было основынм направлением работы этой группы. В настоящее время опыт работы группы М. И. Финкельштейна унаследован фирмой Radar Systems, г. Рига, производящей серии георадаров «Зонд» (В. П. Золотарев).

В МФТИ эксперименты по использованию подповерхностной радиолокации начались после первых опытов использования акустических сигналов для подповерхностного зондирования. В начале 60х годов была построена первая установка для радиоволнового зондирования с использованием узкополосного сигнала [21].

Было установлено, что основные характеристики подповерхностных радиолокаторов в значительной степени определяются параметрами сред зондирования. Поэтому на кафедре распространения радиоволн МФТИ под руководством Ю. И. Лещанского [21, 23] в 60-х годах были выполнены основополагающие измерения электрических параметров типичных грунтов (песчаного и глинистого) и различных строительных материалов в широком диапазоне частот (от 140 МГц до 40 ГГц) и влажностей. Эти результаты представляют не только прикладной интерес при разработке подповерхностных радиолокаторов, но имеют фундаментальное значение для радиофизики. Затем были сформулированы требования к частотному диапазону и широкополосности радарной системы, впервые применено ударное возбуждение передающей антенны. В 80-х годах разработаны первые варианты сверхширокополосных щелевых антенн, экспериментальные образцы георадиолокаторов для работы в туннеле (Ю. И. Лещанский, С. В. Мигинский, А. Н. Бородин, В. Е. Корнев, Н. Г. Подшибякин, С. В. Дручинин). Проведены георадарные измерения в Северо-Муйском туннеле (БАМ). В 90-х годах разработано несколько вариантов сверхширокополосной щелевой антенны для работы в замкнутых помещениях с улучшением развязки верх-низ уменьшение излучения в верхнее полупространство) [3, 4, 5, 8, 9, 40, 42] (С. В. Дручинин, В. Е. Корнев), разработаны и изготовлены георадарные системы для контроля состояния дорожного покрытия (1997), для упреждающего контроля состояния грунта при проходке туннелей (1998, 1999) [29, 32, 34] (С. В. Дручинин, А. Г. Чернокалов, Н. П. Чубинский). Сотрудники, студенты и аспиранты кафедры ФМПВП МФТИ принимали участие в экспериментах по использованию георадара при проходке туннелей в г. Москве в 1998;1999 г. В 1999 г. георадар МФТИ был использован во время совместного российско-японского проекта по зондированию границы оттаивания вечной мерзлоты в Якутске [37].

Основные результаты и выводы работы состоят в следующем.

1. Обосновано использование в подповерхностной радиолокации в грунтах с частотно-зависимыми потерями СШП сигналов. Сформулированы требования по выбору частотного диапазона таких устройств. На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований определены основные составляющие модели подповерхностного радиозондирования в частотной области — характеристики антенных систем, сред и объектов зондирования.

2. Проведен анализ основных составляющих сквозного частотного тракта георадара: частотных характеристик излучающей и приемной антенн, дисперсионных характеристик грунта и спектральных характеристик отражения типичных объектов подповерхностного зондирования. Впервые подробно оценен вклад частотных и поляризационных характеристик типичных объектов на характеристики частотного тракта подповерхностного радара. Проведено построение в частотной области модели подповерхностного радиозондирования.

3. Впервые проведен учет вклада частотных и поляризационных характеристик объектов в характеристики обнаружения и разрешения радиолокатора. С использованием построенной модели проанализированы возможности идентификации некоторых классов объектов при обработке реальных данных подповерхностных радиолокационных измерений. Впервые исследованы возможности модификации сквозного тракта георадара (относительного смещения частотных диапазонов излучающей и приемной антенн) с целью увеличения максимальной глубины зондирования и улучшения разрешающей способности. Установлены условия, при которых может быть достигнуто улучшение характеристик обнаружения и разрешения георадара.

4. Рассмотрены основные виды помех и шумов, затрудняющих обработку сигналов в подповерхностной радиолокации, и приведены некоторые методы их подавления. Подробно проанализировано влияние сигнала прямой связи между излучающей и приемной антеннами георадара и недостаточного демпфирования антенн на характеристики обнаружения объектов различных типов. Проведены экспериментальные измерения вариации амплитуд отраженных объектом сигналов и сигнала прямого прохождения в зависимости от зазора между раскрывами антенн и поверхностью неровного грунта, на основании которых установлены возможности компенсации этих помех. Даны обоснованные рекомендации по выбору методов предварительной обработки данных измерений для улучшения характеристик обнаружения.

5. Приведены результаты экспериментальных исследований излучения СШП щелевых антенн георадара в верхнем полупространстве (в Еи Н-плоскостях), позволившие количественно определить отношение потоков излучаемой мощности в верхнем полупространстве и грунте в зависимости от величины зазора между поверхностью грунта и раскрывом антенны. Эти результаты позволили сформулировать требования к взаимному расположению и ориентации блока антенн георадара по отношению к объектам в верхнем полупространстве для максимального подавления помех, связанных с отражениями от этих объектов.

6. Впервые предложен метод оптимизации числа накоплений данных при георадиолокационных измерениях, позволяющий достигнуть радикального уменьшения полного времени проведения измерения, при этом может быть одновременно улучшено отношение сигнал/шум на заданном интервале временных задержек. Изменение числа накоплений в каждой точке временной оси в зависимости от времени задержки позволяет уменьшить погрешность измерений в несколько раз при том же полном числе накоплений.

Написание данной работы было бы невозможно без постоянной помощи и поддержки со стороны всех сотрудников кафедры физико-математических проблем волновых процессов Московского физико-технического института, которым я выражаю искреннюю благодарность.

5.

Заключение

.

В диссертации проведено построение в частотной области варианта модели подповерхностного радиозондирования, не требующего значительных вычислительных мощностей, однако позволяющего полноценно использовать информацию об амплитуде отраженного объектом сигнала, его форме и длительности для улучшения характеристик обнаружения и разрешения георадара, а также обосновать критерии для идентификации некоторых типов наблюдаемых объектов.