Двухканальный метод зондирования в задачах подповерхностной радиолокации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

51-й; ¡-Г^ц'!

Я" I

исс*\чтг-ций

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЖГГРОНИКИ

На правах рукописи НАЗАРЕНКО Сергей Дмитриевич

УДК 621.396.9

ДВУХКАНАЛЬНШ МЕТОД ЗОНДИРОВАНИЯ В ЗАДАЧАХ ПОДПОВЕРХНОСТНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

Специальность 01.04.03 "Радиофизика"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени-кандидата физико-математических наук

Москва - 1992 г.

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники Российской академии наук.

Научный руководитель - доктор физико-математических наух

В.А.Андрианов.

Официальные оппоненты - доктор технических наук Карпухин В.И.

кандидат технических наук Хохлов Г.И. Вед/шая организация - Московский Зизико-технический институт г. Москва.

Защита состоится 19 июня 1992 г. в 12 час 30 мин на заседании Специализированного Совета Д 002.74.02 при Институте радиотехники и электроники Российской академии наук по адресу: 103907. ГСП, Москва, Охотный ряд. 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЙРЭ РАН. Автореферат разослан "_" _ 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ.

Подповерхностная радиолокация является одним из перспективных направлений в современой радиотехнике и играет важную роль в комплексных исследованиях окружающей среды радиофизическими методами. Круг задач, решаемых с помощью радиолокационных приборов (радаров) при подповерхностной радиолокации . связан с изучением электрофизических параметров земных грунтов, поиском и обнаружением в грунте предметов искусственного и естественного происхождения, измерением глубины гранщ раздела геологических структур. Особая трудность в ре. нии этих задач заключается в том. что подповерхностная структура грунта чрезвычайно разнообразна. Поэтому до настоящего времени не создано достаточно надежной и универсальной математической модели, описывающей электройнзические параметры грунтов в условиях широкого разнообразия юс ¿изических факторов, вариаций химического и минералогического состава. С этой точки зрения разносторонние экспериментальные исследования, в том числе методами подповерхностной радиолокации, являются основнш средством изучения грунтов. Во многих случаях экспериментальные исследования -это единственный способ получения корректных количественных оценок.

В настоящее время активное развитие методов подповерхностной радиолокации привело к созданию ряда серийных образцов подповерхностных радаров, работающих в диапазонах частот 10 - Ю3!^. Их широкое применение для целей глубинного зондирования земных грунтов ограничивается большим затуханием радиоволн в основной из-за наличия в грунтах влаги. В этой связи особое значение имеет правильный выбор диапазона частот излучения, обеспечивавшего с одной стороны приемлемую глубину зондирования. с другой - высокое прост-

равственно-временное разрешение метода. Одним из возможных вариантов реализации этих требований на практике является метод ударного возбуждения широкополосных антенн радиолокатора для формирования коротких импульсов зондирования. Таким образом в диапазоне метровых и дециметровых волн удается сформировать зондирующий импульс без несушей частоты наносекундной длительности.

Методически выбор диапазона частот излучения радиолокатора основывается на анализе механизмов поглощения и рассеяния радиоволн в грунте и априорной информации о его электро<Шзических параметрах. В то же время существует практическая потребность в применении подповерхностных радиолокаторов в условиях широкого разнообразия грунтов и условий их залегания. В этой связи актуальный является расширение частотного диапазона зондирования в результате применения двух ( а в перспективе нескольких > радиолокационных каналов, поочередно осуществляющих зондирование в разных диапазонах частот. Таким образом расширяются функциональные возможности радиолокатора и диапазон практически решаемых с его помощью задач.

Актуальность многоканального зондирования в задачах подповерхностной радиолокации в настоящее время определяется также развитием методов подповерхностной радиолокации в космических исследованиях грунтов планет и малых тел Солнечной системы, когда ввиду крайней ограниченности априорной информации выбор диапазона частот зондирования представляет собой одну из основных проблем. Отдается, что применение в космических исследованиях радиолокаторов, осуществляющих зондирование планет в нескольких частотных диапазонах окажется перспективны! и будет способствовать решению таких фундаментальных проблем, как: а) сравнительный планетологический анализ геологического строения планет земной группы с целью построения моделей геологической истории Земли, б) выявление законо-

мерностей допланетных этапов эволюции Солнечной системы, определявших различие состава и строения планет земной группы и дальних планет-гигантов, включая их спутники.

Диссертационная работа выполнялась в 1982 - 190I гг. в раыках 1ШГ ИГО PA1I в соответствии с постановлениями СМ СССР 379-115 от 8.05.80 г.. 274 от 1.08.83 г. и решениями Президиума Академии наук СССР 250 от 4.II.81 г., 44 от 17.03.82 г.. 241 от 16.09.83 г. (НИР "0-86 - Исследование грунта Фобоса и ионосферы liapca иетодои радиолокационного зондирования с борта космического аппарата"), а также в соответствии с постановлением ГКНГ СССР 573 ✓ 137 от 10.II.85 г. (ПИР "Программа 0.74.02 - Разработать и внедрить аэрокосми-> ческие методы изучения природных ресурсов для решения народко-хо-зяйственных задач", "задание 02.04 - Провести на полигонах экспериментальные и опытно-методические работы по изучению во^ожностей использования в целях мониторинга геологической среды имешихся и разрабатываемых технических средств и методов получения и обработки аэрокосмической информации").

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в экспериментальном и теоретическом развитии деухканального метода подповерхностной радиолокации и проведении исследований на основе созданного с участием автора бортового аэрокосмического радиолокатора для дистанционного зондирования грунта земли и планет.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка методики выбора основных радиотехнических параметров радиолокатора (диапазона частот излучения, динамического диапазона, точностных характеристик) на основе анализа распространения в грунте радиолокационных сигналов и с учетом их рассеяния объемными неоднородностями грунта.

2. Анализ и разработка методов оценивания основных параметров

радиолокационных широкополосных сигналов без несущей частоты: а) во временной области на основе теории аналитического сигнала и статистического оценивания.. б) в частотной области с применением спектральных методов оценивания.

3. Разработка и создание с участием автора двухканального радиолокатора для зондирования грунта в двух диапазонах частот, системы автоматизированного сбора и обработки радиолокационных данных.

4. Экспериментальные исследования с помощью разработанного радиолокатора а) глубины залегания протяженного газопровода в грунте, б) диэлектрической проницаемости горных пород, в) глубины сезонного оттаивания грунта в районах Западной Сибири.

5. Разработка и применение методик испытаний радиолокатора в составе научной аппаратуры космического аппарата. Анализ измеренных во время космического полета радиолокационных сигналов с целью оценивания точностных параметров радиолокатора. в том числе как автономного высотомера малых высот.

НОВИЗНА РАБОШ заключается в следующем:

/

1. Разработана методика выбора основных радиотехнических параметров двухканального радиолокатора, основанная на анализе распространения в грунте радиолокационных сигналов метрового и дециметрового диапазона и учитывавшая по предложении автора рассеяние радиоволн в грунте объемны« неоднородностяни.

2. Разработан с участием автора двухканальный радиолокатор, осуществляющий подповерхностное зондирование грунта в диапазоне частот 240 КГц и 100 МГц с высоким разрешением по глубине, равнш 0.25 м и 1.25 и. соответственно.

\

3. Разработан и применен при обработке экспериментальных данных алгоритм статистического оценивания параметров отраженных сигналов. основанный на формировании в результате эталонных измерений

статистического критерия обнаружения в зависимости от времени запаздывания отраженных сигналов.

4. Экспериментально решены с помошыо созданного радиолокатора следующие задачи: а) измерена по даннш зондирования с борта вертолета толщина сезонного оттаивания грунтов в районе Западной Сибири и исследована их отражаемость в диапазоне частот зондирования 240 МГц и 100 ¡.(Гц, б) измерена по данным зондирования глубина залегания в грунте протяженного газопровода, в) методом радиолокационного зондирования получена оценка диэлектрической проницаемости вулканического туфа в горных районах Армении.

5. Газработаш и применены методики испытаний радиолокатора в составе научных приборов космического аппарата. В результате обработки излученных и принятых во время космического полета к Нарсу радиолокационных сигналов оценены точностные параметры радиолокатора в условиях его космического применения, в том числе й как автономного высотомера малых высот.

В диссертации зшщщаются НАУЧНЫЕ. ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТУ:

1. Разработана методика выбора основных радиотехнических параметров радиолокатора для подповерхностного зондирования, в которой в диапазоне частот I - Ю3ИГц дополнительно учитывается рассеяние (влияние на ослабление) радиоволн в грунте объемными неоднородно стями.

2. Для расширения Функциональных возможностей ( увеличения глу-6:пш зондирования и повышения точности измерения запаздывания от--р?-4 мних сигналов) обосновано двухканальное построение импульсного радиолокатора для подповерхностного зондирования. С участием автора создан бортовой радиолокатор для подповерхностного зондирования грунта Земли и планет в диапазонах частот 240 УГц и 100 ЫГц с высокой разрешающей способностью по глубине, равной 0.25 и и 1.25

м. соответственно.

3. Совокупность экспериментальных результатов исследований методами подповерхностной радиолокации горных пород, вечномерлых грунтов, обнаружения в грунте протяженного газопровода подтвердила практическую применимость и эффективность предложенного метода.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит в том. что полученные результаты позволяют:

1. Дать рекомендации по выбору основных технических параметров двухканального радиолокатора для подповерхностного зондирования на основе анализа распространения радиоволн в грунте с учетом их рассеяния на объемных неоднорода^стях.

2. Применить на основе полученных результатов развитые методики экспериментальных исследований и алгоритмы обработки радиолокационных данных в задачах подповерхностной радиолокации ( изучение электрофизических параметров грунта, обнаружение в грунте протяженных газопроводов и оценивание глубины их залегания ). Результаты работы использованы в практике научно-производственного объединения ПАНХ Министерства гражданской авиации (г.Краснодар) и Треста инженерно-геологического мониторинга и изысканий Министерства газовой промышленности (г. Н.-Уренгой), что подтверждено соответствующими документами.

3. Применить методики и результаты испытаний радиолокатора для разработки и создания бортовых радиолокационных приборов космического применения для подповерхностного зондирования грунта планет. Созданный с участием автора бортовой радиолокатор был установлен и работал в составе комплекса научной аппаратуры космического аппарата при полете к Марсу в 1988 -1939 гг.

Полученные результаты могут служить методической основой при разработке радиолокатора для электромагнитного зондирования грунта

Марса с передвижного автономного марсохода ( Государственная программа "Марс" ).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ .

Основные результаты диссертационной работы докладывались на 14-ой конференции молодых исследователей ИРЭ ГА11 (Москва 1585 г.). на Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды (Рига. 1986 г.). на Всесоюзной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды".(Ереван. 1990 г.). представлены на Третью международную конференцию по подповерхностному зондированию (Колорадо.США. 1990 г.). на Межд}/народном сове-шании "Научные и методологические аспекты исследований Фобоса" (Москва.1986 г.). на Всесоюзной конференции по проблемам применения сверхширокополосных сигналов в радиоэлектронике и геоЗизике (Красноярск. 1991 г.)

ПУБЛИКАЦИИ.

Основные результаты диссертационной работы опубликовали в девяти печатных работах и двух отчетах по научно-исследовательским работам. зарегистрированных во ВНГИЦ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. В первой главе лан обзор экспериментальных методов дистанционного подповерхностного радиолокационного зондирования, в котором обсуждаются, в частности, методы и результаты успешных исследований уровня грунтовых вод под слоем песка в пустынных районах Средней Азии и мерзлых грунтов б Западной Сибири с борта вертолета. Эти работы были выполнены специалистами Рижского института инженеров гражданской авиации. В этой главе обсуждаются методические вопросы распространения радио-

волн в слоист их средах и рассматривается модель слабопоглошашего

з

(цдб « I) слоя грунта с целью анализа в диапазоне 1-10 МГц коэффициента отражения. В этом диапазоне частот исследуются механизмы поглощения радиоволн в грунте вследствие возникающих токов проводимости и установления релаксационной поляризации полярных молекул воды, которые неизбежно присутствуют в земных грунтах. Проведенные расчеты показывают, что в диапазоне частот излучения радиолокаторов для подповерхностного зондирования тангенс угла потерь и коэффициент погонного затухания радиоволн в гругггс могут изменяться па порядок и более.

Автором развивается методика, позволявшая учесть влияние механизмов поглощения радиоволн в грунте на параметры отраженных сигналов. Основу этой методики составляют:

1. выбор модели диэлектрической проницаемости грунта, который ограничивается а) приближениями теории диэлектрических смесей для учета влажности и б) слоисто-неоднородным характером грунта;

2. разработанный алгоритм вычисления в этих приближениях коэффициента отражения радиоволн в зависимости от вариаций основных электрофизических параметров грунта: диэлектрической проницаемости

_з

с - 4 - 64. удельной электропроводности е- < 10 См^м. влажности р < 0.05. мощности слоев Ю м. а также температуры грунта.

Далее в результате численных расчетов автором показано, что локализовать отражающие участки в приближении слоисто-неоднородной модели грунта удобно, выполнив Фурье-преобразование расчетного ко-эфйициента отражения из частотной во временную область. Таким образом удается проанализировать влияние вариаций электрофизических параметров модели грунта в исследуемом диапазне частот и механизмов поглощения на такие практически измеряемые характеристики отраженных импульсных сигналов, как амплитуда и время задержки. Та-

кой подход полезен при решении задач подповерхностной радиолокации при применении короткоимпульсных (широкополосных) радаров, в диапазоне частот излучения которых могут преобладать различные механизмы поглощения радиоволн в грунте и поэтому применение методик. развитых для одноволнового или узкополосного излучения оказывается в этом случае недостаточнш для оценивания параметров отраженных импульсных сигналов. Развитая в этой главе методика является результатом, полученнш лично автором. Глава содержит также обзорные материалы.

Во второй главе анализ механизмов поглощения радиоволн дополнен обсуждением по предложению автора механизма рассеяния радиоволн на слабых Флуктуашях диэлектрической проницаемости грунта, дисперсия которых г>2< ю-3. С физической точки зрения i может быть представлено в виде произведения относительных вариаций диэлектрической проницаемости объемных неоднородностей в грунте ^с/с и относительного объема, занятого этими неоднородностями av/v, т.е. rj-AcAv/cv. Цель исследований заключалась в том. чтобы численно проанализировать диоперсионное уравнение для волнового вектора К среднего поля в грунте и оценить эффективный тангенс угла потерь 1д5эфф- возникающий' в результате рассеяния. Дисперсионное уравнение (Karal . Keller)

к* - к® - 7j2d(k) = 0 .

в котором d(k) зависит от вида корреляционной Функции r(r) Флуктуация диэлектрической проницаемости грунта и Функции Грина, решено в кястоящей.работе численно. Для R(r) = (гв - радиус корре-

ляции ) К вычислено методом последовательных приближений в диапа-

-1 3

зоне 10 < к^г^ < ю . Анализ проведен автором с учетом механизмов поглощения радиоволн в грунте из-за поляризации молекул воды и возникавших в грунте токов проводимости. Основной вывод анализа,

Ii

подтверждаемый численнши расчетами состоит в следующем. Несмотря на предполагаемую малость Флуктуаций диэлектрической проницаемости для слабопоглошаюшего грунта, в случае, когда ^ 1м. механизм объемного рассеяния радиоволн может в несколько раз уменьшить предельную глубину зондирования в метровом и дециметровом диапазонах излучения радиолокатора.

Далее во второй главе предложен принцип выбора основных параметров радиолокатора для подповерхностного зондирования . В различных диапазонах частот излучения, заключенных в полосе I - Ю3 МГц. численно смоделированы короткоимпульсные радиолокационные сигналы. (Нормируемые в результате ударного возбуждения широкополосных антенн радиолокатора. На основе моделей грунта. развитых в первой и второй главах, численно решена задача отражения этих сигналов и проанализированы параметры расчетных отраженных сигналов. В результате оценены необходимый для решения задачи подповерхностного зондирования динамический диапазон радиолокатора и потенциальная точность измерения запаздывания полезного отраженного сигнала. Показано, что целесообразные для целей подповерхностного зондирования оказывается применение двухканального радиолокатора . поочередно осуществляющего зондирование в двух диапазонах частот. Такой радиолокатор обеспечивает глубинность зондирования в низкочастотном диапазоне излучения и для небольших глубин зондирования лучшую точность измерения запаздывания отраженного сигнала в высокочастотном "диапазоне излучения. С этой точки зрения рассчитаны основные технические параметры радиолокатора, осуществлявшего зондирование в диапазонах частот 100 МГц и 300 МШ. Показано, что для зондирования слоя грунта толщиной порядка 10 м необходимый динамический диапазон радиолокатора для канала 300 МГц должен быть на 20 дБ больше, чем йПл канала 100 МГц. В тр же время при зондировании

слоя грунта толщиной порядка I м потенциальная точность измерения запаздывания отраженного сигнала, достигаемая в результате применения более высокочастотного канала, оказывается в несколько раз лучше. Методика расчета основных технических параметров двухканального радиолокатора для подповерхностного зондирования, предложенная во второй главе, разработана лично автором.

Далее в этой главе рассмотрена структурная схема созданного с участием автора двухканального радиолокатора РЖ-84 для подповерхностного зондирования грунта Земли и планет и приведены его технические характеристики.

Основные технические характеристики радиолокатора РЛК-84.

N пп Наименование параметра Первый канал Второй канал

I. Длительное^ импульса зондирова-

ния. НС 5 25

2. Частота зондирования. МГц 240 100

3. Период следования импульсов зон-

дирования. МКС 82 82

4. Чувствительность приемного уст-

ройства. мВ 0.6 0.2

5. Пиковая мощность зондирования.Вт 10 10

б. Динамический диапазон. дБ более 40 более 40

7. Разрешающая способность, м (с=9> 0.25 1.25

Личный вклад автора в непосредственном создании двухканального радиолокатора заключен в следующем : а) автором разработаны схемотехнические решения вторичного источника,питания РЛК-84; б) автор участвовал в проведении наземных испытаний технологического и предназначенных для установки на космический аппарат образцов радиолокатора ГЖ-84; в) автором создан аппаратно-программный комп-

леке обработки радиолокационных сигналов на основе разработанных методик, измерительной техники и персонального компьютера 1вм рс

АТ.

В третьей главе обсуждены методика и результаты экспериментальных исследований, выполненных автором с помощью РЛК-84. предложен алгоритм обработки данных подповерхностного зондирования, основанный на методах статистического анализа и использовании результатов эталонных измерений. Обоснованность эталонных измерений отражена в разделах 3.1-3.2 третьей главы .и заключается в следующем. Во-первых. численное моделирование излученных радиолокатором сигналов на основе теоретического анализа механизма их Формирования методом ударного возбуждения радиолокационных антенн и в условиях конкретной геометрии эксперимента оказывается сложной электродинамической задачей. Поэтому в данной работе предложено оценить частотно-временные параметры зондирующих сигналов экспериментально - в результате эталонных измерений. Во-вторых, по данным эталонных измерений в настоящей работе формируется статистический критерий обнаружения полезных отраженных сигналов в зависимости от их времени запаздываения. Такой подход предложен автором и применен для обработки данных подповерхностного зондирования.

В разделах 3.1-3.2 третьей главы обсуждена методика оценивания основных частотно-временных параметров зондирующих сигналов радиолокатора, представляющих собой радиоимпульсы без несущей частоты наносекундной длительности. Для решения этой задачи автором разработан алгоритм, основанный на преобразовании Гильберта. Устойчивость оценивания огибающей в зависимости от отношения м "средняя мощность сигнала / дисперсия шума"анализировалась автором численно. Результаты анализа оказались следующими. При м - 30 дБ

точность оценивания огибающей равнялась х ухудшаясь до 30 я при уменьшении р до 10 дБ.

Основные частотно-временные параметры -излученных радиолокационных сигналов определены по результатам эталонных измерений. " проведенных в безэховой камере. Методика, результаты и особенности этих измерений обсуждены автором в третьей главе. .

В разделе 3.5 автором приведены результаты экспериментальных исследований радиолокационных сигналов. отраженных слоем вулканического туфа. Цель работ состояла в том. чтобы в натурных условиях показать применимость созданного для космических исследований радиолокатора РЛК-84 для решения прикладных задач геойэтзики. В этой связи на основе радиолокатс а ГЛК-84 в 1983 году был создан мобильный комплекс с автономны* энергопитанием, который устанавливался на автомобиле. В состав комплекса входили приборы регистрации и управления, с помощью которых наблюдались и записывались для долговременного хранения и дальнейшего анализа отраженные радиолокационные сигналы. В диссертационной работе приведены блок-схема и геометрия измерений. Приемные и передающие антенны радиолокатора были приподняты над поверхностью земли и направлены вертикально вниз на размешенный под ними слой туфа, толщина которого варьировалась от 0.2 м до 0.6 м. Анализ

отраженных сигналов заключался\ в измерении времени задержки между отражениями от верхней и нижней границ слоя и оценивании отношения "сигнал/шум" для того, чтобы установить точность измерений. По результатам измерений <-3 из соотношения - А24 находилась диэлектрическая проницаемость вулканического туфа с. которая оказалась равной 4.2 в диапазоне зондирования 100 МГц и равной 3.8 в диапазоне зондирования 240 МГц. Точность этих измерений была не хуже 20 %.

Эффективность применения двухканальной схемы построения радиолокатора для подповерхностного зондирования показана в разделах 3.4 и 3.5 третьей главы, где обсуждены экспериментальные результаты поиска в грунте металлического газопровода и измерения по даннш зондирования толщины сезонного оттаивания грунтов в районах Западной Сибири.

Газопровод диаметром 0.1 м в грунте был обнаружен на глубине 0.2-0.5 м по результатам зондирования в диапазоне 240 МГЦ. Отраженный газопроводом сигнал регистрировался на Фоне сигнала, отраженного поверхностью. Корректное выделение полезного отраженного сигнала проводилось на основе эталонных радиолокационных измерений. Глубина залегания газопровода оценивалась с учетом приемлемой диэлектрической проницаемости грунта по результатам измерения запаздывания отраженных сигналов. В диапазоне 100 МГц радиолокатор РЖ-84. обладая большей глубинностью зондирования, имеет худшую в сравнении с диапазоном 240 МГц разрешающую способность и точностные параметры для небольших глубин зондирования По этой причине обнаружить газопровод го данным зондирования в диапазоне 100 МГц не удалось.

В 1089 году в районе г. Н-УренгоЯ (Западная Сибирь) выполнены экспериментальные работы по дистанционному радиолокационному зондировании вечномерзлых грунтов. Вертикальное зондирование грунта проводилось с борта вертолета. Цель работ состояла в а) измерении глубины слоя сезонного оттаивания грунта радиолокационным методом. б) исследовании отражаемости грунтов различных типов в диапазонах частот зондирования. Выбор района исследования был обусловлен двумя Факторами. Во-первых, разнообразием мерзлотно-грунтовых

характеристик разреза приповерхностных отложений из-за ярко выра-\ .

женной широтной зональности природных условий. Во-вторых, деталь-

ной изученностью разреза рельефообраэупшх отложений по керну скважин в процессе инженерно-геокриологических и гидрогеологических изысканий.

Методика экспериментальных исследований состояла из трех этапов. Во время первого этапа проводился облет и зондирование эталонной подстилающей поверхности с известный отражательными характеристиками, в качестве которой была выбрана гладкая водная поверхность. Второй этап заключался в статистическом анализе "аппаратурных шумов радиолокатора и коррелированных с излученнш сигналом помех, обусловленных просачиванием излученного сигнала в приемную антенну в условиях практически установленной геометрии размещения антенных систем на борту вертолоета. Третий этап методики осуществлялся в результате радиолокационного зондирования грунтов различных типов вдоль выбранных маршрутов полетов. Измерения проводились в резинах зависания вертолоета на высоте 30-50 м над обозначенной инженерно геологическими скважинаии и медленного перемещения вертолета вдоль маршрутов.

В результате обработки радиолокационных данных в обоих диапазонах частот зондирования были выделены сигналы, отраженные кровлей вечномерэлых грунтов, находящейся на глубине 0.5-1.5 м. Тем не менее точность измерения их времени задержки, установленная экспериментально в диапазоне 240 МГц была в 2-3 раза лучше чем в диапазоне 100 МГц. Попытка обнаружить сигналы, отраженные с большие глубин границами раздела геологических структур, была предпринята при зондировании одних и тех же участков во время зависания вертолета. Реализованная процедура накопления отраженных сигналов обеспечивала улучшение чувствительности радиолокатора. Таким образом в диапазоне 100 МГц обнаружены и измерены сигналы на задержках 30-90 не. что соответствует глубинам 1.5-4.5 м. В

диапазоне 240 КГц на этих задержках отраженные , сигналы не обнаружены, что объяснило. учитывая меньшую губинность зондирования

радиолокатора в этом диапазоне.

В третьей главе обсуждены также результаты измерения вариаций мощности отраженного поверхностью сигнала вдоль маршрута движения вертолета. Показано, что песчанш грунтам соответствует пониженная на 10 дБ мощность отраженного сигнала в сравнении с торфяньми и глинистыми грунтами. Этот результат получен в обоих диапазонах зондирования. Точность этих измерений была не хуже 50 .

Экспериментальные результаты, приведенные в этой главе являются оригинальными. Автор принимал непосредственное участие в организации. постановке и проведении экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных радиолокационных данных.

Четвертая глава посвящена испытаниям созданного радиолокатора в составе космического аппарата во время подготовки многоцелевой экспедиции для изучения Фобоса. В этой главе изложены методические - подходы при измерениях технических параметров радиолокатора, проводившихся при непосредственном участии автора. Автором обобщены и систематизированы результаты измерений параметров РЖ-84 в течёйие годичного цикла его испытаний, предложен статистический анализ этих результатов.

В июле 1988 года был осуществлен запуск космического аппарата, программа полета которого предусматривала исследование спутника Парса Фобоса. Рассматривалась возможность применения установленного да борту аппарата и предназначенного для дистанционного зондирования грунта Фобоса радиолокатора РЖ-84 в качестве автономного высотомера малых высот. Для этого в семи сеансах связи с космическим аппаратом во время его перелета к Ыарсу были проанализированы трчностные параметру РЛК-84 в условиях космического эксперимента. На основа разработанных автором

алгоритмов выполнена обработка радиолокационных сигналов. полученных во время включения РЛК-84.. Как показали результаты измерений точность оценивания высоты с помощью РЛК-84 в диапазоне зондирования 100 МГц была не хуже 1.5 м. в диапазоне зондирования 240 МГц - 0.3 м.

В заключении сформулированы основные выводы,- сделанные по результатам проведенных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТУ.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, заклз-

чаются в следующем:

1.Разработана методика выбора основных радиотехнических параметров подповерхностного радиолокатора, в которой в диапазоне частот I - 103МГц дополнительно учитывается рассеяние радиоволн в грунте объемными неоднородностлях. Показано, что для увеличения потенциальной глубины зондирования слабопоглощащих грунтов до 10 м и более и обеспечения для глубин порядка I и точности измерения запаздывания отраженного сигнала не хуже 0.1 не целесообразно применение двухканального радиолокатора, работающего в двух диапазонах частот.

2.Для расширения функциональных возможностей зондирования (увеличения глубины зондирования и улучшения точности измерения запаздывания отраженного сигнала ) разработан с участием автора двух-каяальннй бортовой радиолокатор РЛК-84. автоматически осушест-вляюший подповерхностное зондирование грунта .в двух диапазонах частот 240 МГц и 100 МГц с разрешающей способностью по глубине 0.25 м И 1.25 м.

3.Создан комплекс цифровой обработки экспериментальных данных, по-

ю

/

зволивший автоматизировать радиолокационные измерения и разработаны алгоритмы обработки радиолокационных данных, включавшие:

а) оценивание спектральных параметров, отраженных радиолокационных сигналов на основе методов статистических моментов и квантилей;

б) оценивание огибавшей и параметров разрешения радиоимпульсов без несушей на основе теории аналитического сигнала и преобразования Гильберта;

в) по результатам эталонных радиолокационных измерений Формирование статистического критерия обнаружения отраженных сигналов.

4.Экспериментально показана применимость созданного двухканального подповерхностного радиолокатора для зондирования горных пород. По результатам зондирования слоя вулканического туфа толщиной 0,2 м. 0.4 н и 0.6 м оценена его диэлектрическая проницаемость, которая с 20 * точностью оказалась равной 4.2 в диапазоне частоты зондирования 4оо МГц и 3.8 в диапазоне частоты зондирования 240 МГц .

5.Экспериментально подтверждена эффективность выбранного метода для подповерхностного зондирования.

5.1. Разработана и в натурных условиях Западной Сибири апробирована методика дистанционного зондирования мерзлых грунтов с борта вертолета. Исследована глубина сезонного оттаивания грунта .которая изменялась по даннш зондирования от 0.5 м до 1.5 м. что подтверждено геологическими данными. Показано, что точность измерения глубины сезонного оттаивания в диапазоне 240 МГц в несколько раз лучше в сравнении с диапазоном 100 МГц. но в диапазоне 100 МГц достигнута большая глубина зондирования, равная

4.5 м.

5.2. Проанализирована динамика отражаемости грунтов и показано, что песчаным грунтам в обоих диапазонах зондирования соответствует пониженная на 10 дБ мощность отраженного сигнала в сравнении с глинистыми и торФяндаи грунтами. Точность этих измерений была не хуже 50 я. Анализ отражаемости грунтов был проведен с учетом вариаций высоты полета вертолета.

5.3. Экспериментально подтверждена возможность применения радиолокатора для поиска и обнаружения находящихся в грунте на глубине порядка I м протяженных газопроводов. По двннш зондирования в

диапазоне 240 МГц оценена глубина залегания газопровода и отмечено совпадение результатов прямых и радиолокационных измерений.

б.Проведен цикл испытаний РЛГС-84 в составе космического аппарата, созданного для комплексного исследования спутника Uapca Фобоса.

6.1. Газработаны: а) методики измерений основных технических параметров радиолокатора; б)' алгоритмы экспресс-анализа телеметрических данных с целью выделения и обработки радиолокационных сигналов.

■ 6.2. По данным сеансов связи во время полета космического аппарата к Нарсу зарегистрированы сигналы, излученные радиолокатором и проведен ях статистический анализ. Измерен среднеквадратичный уровень флуктуаций этих сигналов и исследована его зависимость от времени задержки. По данныл измерений оценены параметры РЛК-84 как автономного высотомера малых высот, дополнягаего в условиях космического полета комплекс высотометрических приборов космического аппарата. Показано, что потенциальная точность измерений высоты с помощью РЛК-84 не хуже в диапазоне 240 КГц -0.3 м. в диапазоне 100 МШ - 1.5 м .

СПИСОК ПЕЧАТНЫХ ГАВОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Андрианов В.А.. Арманд ILA.. Крайнюков A.B.. Метелкин В.И.. Па-заренко С.Д.. Хапланов С.Г. Спектральные характеристики радиолокационных сигналов без несушей.Теория и техника радиолокации, радионавигации и радиосвязи в гражданской авиации. Межвуз. сб. научных трудов.- Рига,- 1989. -с. 20-27.

2. Андрианов В.А.. Санталов Н.П... Назаренко С.Д. Измерение диэлектрической проницаемости мелкослоистой среды при радиолокационном зондировании.'''' Теория и техника радиолокации, радионавигации и радиосвязи в гражданской авиации. Межвуз. сб. научных трудов. -Гига. -1987. С. 55-60.

3. Андрианов В.А.. Арманд П.А.. Куленов Д.II.. Кутев Б.А.. Кутепов II.П.. Метелкин В.И.. Назаренко С.Д.. Островенец В.В.. Финкель-пггейн М.И.. Штерн Д.Я." Об отражении наносекундных импульсов от вулканических горных пород.-''' Теория и техника радиолокации, радионавигации и радиосвязи в гражданской авиации. Межвуз. сб. научных трудов. -Рига. -1985. С. 55-63.

4. Андрианов В.А., Кибардина И.Н., Кутев В.А., Метелкин В.Н.. Па-заренко С.Д. , Финкельпггейн Ы.И.. Штерн Д.Я. Применение цветного изображения при подповерхностной радиолокации. -'•' Тез. докл. Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды. -Рига. -1986. С.43.

5. Андрианов В.А.. Марчук B.II.. Назаренко С.Д.. Подборный Е.Е.

. Экспериментальные результаты дистанционного зондирования газопровода в грунте.-''' Тезисы доклада Всесоюзной научно-технической конференции "Применение СЗППС в радиоэлектронике и геофизике". -Красноярск, -199I. С.12.