Исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры

Хакиев, Зелимхан Багауддинович

Исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Хакиев, Зелимхан Багауддинович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ростов-на-Дону МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры»

Автореферат диссертации на тему "Исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры"

003494533

На правах рукописи

ХАКИЕВ ЗЕЛИМХАН БАГАУДЦИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

СРЕДЫ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ОБЪЕКТОВ ИНЖЕНЕРНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 ^ мдр 20Ю

Ростов-на-Дону 2010

003494533

Работа выполнена на кафедре "Физика" в Ростовском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор ЯВНА Виктор Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ЛЕРЕР Александр Михайлович

доктор технических наук,

профессор МАНУЙЛОВ Борис Дмитриевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Воронежский государственный университет»

Защита состоится апреля 2010 г. в 1400 часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.208.10 в Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, Южный федеральный университет, физический факультет, ауд. 318.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « » марта 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 212.208.10, доктор физико-математических наук, профессор

С?.

Г.Ф. Заргано

ВВЕДЕНИЕ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов распространения электромагнитного излучения в многослойных неоднородных грунтовых средах на основе метода георадиолокации [1].

Актуальность темы исследований. Физические и геофизические методы исследования многослойных неоднородных сред (грунтов) находят в последнее время все более широкое применение в технике. Это связано в первую очередь с тем, что применяемые сегодня разрушающие методы (пенетрация, отбор проб грунтов бурением и т.д.) не позволяют получать информацию об обследуемой среде в нужном объеме и сопряжены со значительными временными, трудовыми и материальными затратами.

Практически значимые результаты можно получить, используя эти методы совместно с методами неразрушающего контроля: георадиолокация, сейсморазведка, электроразведка и т.п.

Георадиолокационный метод обследования [1,2] имеет ряд преимуществ перед отмеченными выше геофизическими методами в скорости, экономичности и эффективности использования. Однако, не смотря на очевидную привлекательность использования метода георадиолокации [2, 3], существуют и проблемы применения данного метода. Главная трудность заключается в том, что при использовании серийной георадиолокационной аппаратуры в условиях сложной инфраструктуры возникает ряд трудностей при интерпретации получаемой информации, связанных с помехами различной природы [4], а также особенностями распространения волн в грунтовых средах с аномалиями [5]. В связи с этим разработка методов количественной интерпретации, а также дальнейшее совершенствование аппаратуры для работы в указанных условиях является актуальной задачей. Кроме того, метод георадиолокационного зондирования относительно молодой и его теория все еще не сформирована в необходимом объеме. Для достоверной количественной интерпретации георадиолокационных данных необходимо уточнять теоретическое описание механизмов распространения импульсов электромагнитного излучения в грунте, особенности отражений от объектов, влияние влажности и других свойств среды.

Таким образом, представляется актуальным исследование особенностей использования метода георадиолокации в условиях развитой инженерной

инфраструктуры, механизмов формирования отраженных сигналов в многослойных неоднородных средах с аномальными областями. Результаты таких исследований повысят эффективность и достоверность решения конкретных прикладных задач методом подпочвенного зондирования.

С практической точки зрения актуальность выполненных исследований связана с разработкой требований к аппаратуре и методов ее конструирования для георадиолокационного обследования объектов сложной инженерной инфраструктуры. Кроме того, на основе георадиолокационного метода создан и апробирован программно-аппаратный комплекс для диагностики дорожных путей и поиска инородных объектов, включая взрывные устройства.

Целью работы является исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научные задачи:

1. Исследование влияния электрофизических свойств среды на характеристики радарограмм.

2. Решение прямой задачи георадиолокации для оценки возможности применения метода при решении задач диагностики инженерных объектов.

3. Разработка метода и аппаратуры для обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте.

4. Расчет и конструирование антенных блоков георадаров с заданными электрофизическими свойствами для применения в условиях сложной инженерной инфраструктуры.

Научная новизна работы. В работе впервые:

- исследован характер влияния электрофизических свойств среды и ее аномальных зон на радарограммы;

- разработан метод количественной оценки свойств грунтовых сред по отраженному сигналу;

- оценены возможности метода георадиолокации при диагностике инженерных объектов решением прямой задачи георадиолокации;

- разработаны методика и аппаратура для обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте, путем сравнения радарограмм и выявления на них аномальных участков;

- разработаны требования к аппаратуре для обследования объектов инженерной инфраструктуры.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Теоретическое исследование затухания электромагнитного излучения в средах с различными электрофизическими свойствами для оценки применимости метода георадиолокации.

2. Метод количественного определения электрофизических характеристик продольно-слоистых сред в скоростном режиме обследования.

3. Метод обнаружения инородных объектов в однородных слоистых средах, адаптированный для применения на железнодорожном пути.

4. Оборудование с заданными физическими параметрами для применения в условиях сложной инженерной инфраструктуры.

Достоверность полученных результатов определяется использованием при теоретических исследованиях современных надежно разработанных представлений волновой теории электромагнитного излучения [6], современных методов вычислений и обработки данных, библиотек апробированных компьютерных алгоритмов.

Все теоретические выводы и полученные на их основе результаты подтверждались лабораторными и натурными проверками и испытаниями.

Научная и практическая значимость работы заключается в выработке критериев возможности применения метода георадиолокации к решению практических задач; создании методов количественной обработки результатов георадиолокационных измерений.

На основе полученных в работе научных результатов созданы неразрушающие методы определения засоренности щебеночных балластов и подсчета числа деформаций земляного полотна железнодорожного пути. Эти методы используются на объектах Северо-Кавказской и Горьковской железных дорог в процессе текущего содержания, капитальных ремонтов и реконструкций железнодорожного пути, контроля проведенных ремонтно-восстановительных работ (имеется Акт внедрения).

Разработанный метод обследования грунтов лег в основу создания прототипа радиоуправляемого самоходного устройства для обнаружения аномальных зон и инородных объектов в продольно-слоистых средах.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на: девятой всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности» в 2006 году, г. Санкт-Петербург; третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» в 2006 году, г. Москва; второй, третьей, четвертой и пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика» в 2006-2009 годах, г. Геленджик; третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» в 2009 году, г. Москва.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, включающих 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов кандидатской диссертации, 1 статья в зарубежном журнале, 11 публикаций в сборниках научных трудов и тезисов конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Основное содержание диссертации изложено на 160 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков и 8 таблиц. Список литературы включает 95 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении выполнена общая постановка задачи исследований и обоснована ее актуальность. Конкретизированы решаемые в работе задачи и отмечена их научная новизна и актуальность. Наиболее значимые результаты сформулированы в виде положений, выносимых на защиту. Отмечена научная и практическая значимость исследований и разработанных практических решений. Приведен список публикаций, в котором отражены основные результаты работы, а также отмечен личный вклад автора в их получении.

Первая глава посвящена анализу возможностей современного метода подповерхностного зондирования - георадиолокации. Рассмотрены основы метода и особенности его использования, преимущества и недостатки перед другими геофизическими методами. Кроме того, приведены основные задачи,

решаемые методом георадиолокации. Показана эффективность применения метода георадиолокации на объектах инженерной инфраструктуры.

Практика применения метода георадиолокации в настоящее время ограничена, в основном, решением обратной задачи - интерпретация и расшифровка георадарограмм. Последнее определяет степень достоверности экспертных заключений и принимаемых решений.

Обратная задача георадиолокации, как и все обратные задачи, в общей постановке некорректна. Возможность ее решения фактически определяется конкретной формулировкой, включающей в себя априорные данные об обследуемой среде, а также методом проведения георадарной съемки. Таким образом, чтобы говорить об успешном решении обратной задачи георадиолокации и, следовательно, о достоверном георадиолокационном обследовании, необходимо в процессе интерпретации георадиолокационных данных понимать и учитывать механизмы и особенности распространения электромагнитных волн в обследуемой среде. Таким инструментом анализа особенностей распространения радиоволн в грунтовой среде является решение прямой задачи георадиолокации, под которой понимают восстановление георадарограммы от среды с известной геологической структурой при распространении в ней электромагнитной волны с заданными характеристиками.

Таким образом, обоснована необходимость решения прямой задачи георадиолокации как неотъемлемой части всего процесса проведения георадиолокационных обследований и интерпретации георадиолокационных данных в целях восстановления геологической структуры исследуемой среды.

Вторая глава посвящена разработке компьютерных моделей антенных блоков георадаров для создания оборудования, адаптированного к

использованию в условиях сложной инженерной инфраструктуры. Для решения этой научной задачи проведено несколько исследований.

Первое исследование заключается в изучение возможностей повышения помехозащищенности антенных блоков георадаров.

0,0

Й 0,5 О)

X 1,0 н

1,5 Йм

Угол, град.

Рис. 1. ДН передающей антенны АБ-1200. Сплошной линией приведены результаты теоретических расчетов, штриховой - эксперимент.

Задача решена методом компьютерного моделирования работы имеющегося антенного блока георадара (АБ-1200, работающего на частоте 1200 МГц). Выполнены расчеты коэффициента усиления (КУ) антенн и диаграммы направленности (ДН). Результаты сопоставлены с полученными в работе экспериментальными данными на рис. 1.

Из рис. 1 видно, что полученная ДН имеет главный лепесток в нижней полуплоскости с шириной порядка 100° и лепесток в верхней полуплоскости. Затухание в верхней полуплоскости оказалось равным 15 дБ, При использовании такой антенны вблизи железных дорог, получаемые радарограммы отличаются высокой степенью зашумленности и малой

Для преодоления указанных недостатков создана компьютерная модель антенного блока с пирамидальной рупорной конструкцией. Ее параметры получены оптимизацией по: КУ; ширине ДН в нижней полуплоскости и ее затуханием в верхней полуплоскости. Результаты теоретического расчета ДН антенного блока с оптимизированной рупорной конструкцией приведены на рис. 2 совместно с результатами эксперимента.

Использование полученного пирамидального рупора с антенным блоком АБ-1200 на центральной частоте 1200 МГц позволило получить заметное улучшение в рабочих характеристиках устройства. В частности КУ увеличился примерно в 2 раза (теория - в 2.1 раза, эксперимент - в 2.2 раза), ширина ДН уменьшилась до угла 60°, а также значительно возросла помехозащищенность устройства за счет увеличения затухания лепестка ДН в верхней полуплоскости (порядка 20 дБ).

Помимо отмеченных улучшений характеристик антенного блока АБ-1200 с рупором, наблюдается сдвиг средневзвешенной частоты в высокочастотную область, что улучшает разрешающую способность прибора.

На основе полученных в работе результатов созданы неразрушающие методы определения засоренности щебеночного балласта железнодорожных насыпей и подсчета числа деформаций земляного полотна. Эти методы

глубиной обследования.

Рис. 2. ДН антенны с рупором. Сплошной линией приведены результаты теоретических расчетов, штриховой - эксперимент.

используются на объектах Северо-Кавказской и Горьковской железных дорог в процессе текущего содержания, капитальных ремонтов и реконструкций железнодорожного пути.

0.0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 2,0 2,5 4,0 4,5 5,0

и нс

Рис. 3. Форма сигнала в нормальном направлении излучения: сплошная линия -теория, штриховая — эксперимент.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 2,0 2,5 4,0 4,5 5,( Г, НС

Рис. 4. Форма сигнала в тангенциальном направлении излучения: сплошная линия -теория, штриховая — эксперимент.

Второе исследование заключается в компьютерном моделировании формы излучаемого сигнала. Необходимость решения такой задачи связана с изучением распространения импульсов электромагнитного излучения в продольно-слоистых средах, выполненным в последующих главах диссертации. На рис. 3 и 4 приведены результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований для приведенного расположения антенн. Видно, что теория находится в хорошем согласии с экспериментальными результатами.

В заключении второй главы проанализированы достоинства и недостатки полученной компьютерной модели антенного блока АБ-1200 и модели с использованием рассчитанной рупорной конструкции. Сформулированы выводы проведенных теоретических и лабораторных исследований.

В третьей главе для решения задачи распространения электромагнитного излучения (ЭМИ) в грунтовых средах с различными электрофизическими свойствами использована компьютерная модель приемной

и передающей антенн георадара АБ-1200 с частотой 1200 МГц, разработанная во второй главе. Выполнены три исследования.

Первое исследование посвящено решению прямой задачи георадиолокации -расчет радарограмм от заданных геологических структур.

На рис. 5. приведены приемная и передающая антенны, расположенные на песке, занимающим кубический объем.

В массе песка поочередно помещались объекты цилиндрической формы, имеющие электрофизические свойства различных веществ: металл, вода, пластик, воздух (рис. 5). Среда распространения и материалы описаны электрофизическими параметрами: диэлектрическая проницаемость (е) и электропроводность (с). Моделировалось перемещение приемной и передающей антенн над поверхностью песка. На каждом шаге моделирования рассчитывались форма распространение в среде, сигналы, зарегистрированные приемной антенной.

Результаты расчета для песка и песка с металлическим объектом приведены на рис. 6 совместно с полученными экспериментальными данными.

Видно, что теоретическая радарограмма (рис. 6Б), полученная для песка, качественно передает особенности эксперимента (рис. 6А). Гиперболические линии синфазности [2], приведенные на рис. 6В получены при учете в среде локального объекта и хорошо согласуется с экспериментом (рис. 6Г). Наблюдаемое согласие теории и эксперимента свидетельствует о высокой точности решения прямой задачи георадиолокации, достигнутой, в данной работе.

Второе исследование связано с изучением влияния влажности и засоленности среды на характеристики получаемых радарограмм (форма, контрастность, частотный спектр сигнала и др.).

Рис. 5. Общий вид расчетной модели: А) приемная антенна; Б) передающая антенна; В) песок; Г) металлический объект.

■ММ д" 11!' ~ и 111 »»

||||||||| |Ш||||||||; й111ЁШ111 г * !§31||}1

Рис. 6. Радарограммы:

A) экспериментальная для песка; Б)теоретическая для песка;

B) теоретическая для песка с металлическим объектом;

Г) экспериментальная для песка с металлическим объектом.

излученного импульса, его

Известно [6], что объемная плотность зарядов (р) в проводящих средах описывается уравнением

о- 0)

о! ее0

решение которого имеет вид:

р = рДг=^. (2)

сг

Время релаксации г зависит от удельной проводимости среды. Характерные значения удельных сопротивлений проводящих глинистых грунтовых сред в задачах георадиолокации имеют порядок 101 Ом-м, диэлектрическая проницаемость - 10°. Тогда характерное время релаксации г» Ю'10с. Это значение на два порядка меньше характерного периода колебаний электрического вектора электромагнитной волны используемого радиодиапазона (Т« 10"8с). В этом случае убывание плотности заряда (2)

происходит практически мгновенно, и уравнение Максвелла У£ = — принимает вид

УЕ = о (3)

В таком приближении для проводящей среды, вводя комплексные диэлектрическую проницаемость, показатель преломления и волновое число, можно получить уравнения, формально совпадающие с уравнениями для непроводящей среды. Плоская электромагнитная волна в такой среде имеет вид [6]

тпк_

Е=Е„е с'е\с >, (4)

где показатель преломления и волновое число связаны с частотой (V) соотношениями:

„и \ А1

(5)

Исследовано количественное влияние проводимости сг и диэлектрической проницаемости е среды на радарограммы. Для расчета указанных параметров использованы следующие соотношения

М„ м„ + м„

м„

мп + мя

- + сг„

М„

мп + м,

Мв Мп+мв

, мв =

\У

1-ж

где £„ и ея - диэлектрические проницаемости песка и воды; М„ и Л/„ - массы песка и воды; ап и стя - электропроводность песка и воды; IV - массовое содержание воды в песке в процентах.

На рис. 7 приведены частотные спектры, полученные прямым Фурье-преобразованием сигналов от сухого песка и песка с массовой влажностью 20%.

На рис. 8 изображена зависимость средневзвешенной частоты от влажности среды (IV).

Видно, что рост влажности приводит к

сдвигу _/£ спектра в низкочастотную область, что на практике соответствует появлению низкочастотных составляющих на

радарограммах. Данный признак может лечь в основу методики количественного определения влажности грунтов.

Для исследования влияния засоленности среды на радарограммы выполнен расчет величины сигнала (/•",, где / - номер точки в трассе), прошедшего свозь слой воды толщиной 50 см для разных концентраций (С) соли ЫаС1. На рис. 9 приведены экспериментальная (штриховая линия) и теоретическая (сплошная : . . линия) зависимости относительной

интенсивности сигнала ЦС) от С, рассчитанной по формуле

цс)=¿^(01/1:^(0)1.

I Ю 12 14 16 18 20

IV, •/.

Рис. 8. Зависимость/е от №.

0,00 0,02 0,04 0,00 0,08 0,10 0,12 0,14 0,1«

с,%

Рис. 9. Зависимость интенсивности сигнала от концентрации С соли ЫаС1.

Видно, что незначительное увеличение засоленности среды приводит к резкому затуханию сигнала и может заметно снизить глубинность георадиолокационного обследования.

В результате исследования сделан вывод о том, что с ростом влажности и засоленности среды снижается глубинность георадиолокационных обследований. Теоретические результаты подтверждены экспериментом.

Для дальнейшего анализа влияния параметров среды на радарограммы выполнена серия теоретических расчетов, позволяющая восстановить радарограммы, получаемые при перемещении антенн над песком с различной влажностью, вмещающем поочередно металлический и пластиковый объекты цилиндрической формы.

Построены радарограммы (рис. 10),

соответствующие разным значениям влажности

песка И''для случая с металлическим объектом.

Видно ухудшение контрастности

металлического объекта и изменение

временного масштаба радарограммы вследствие

уменьшения скорости распространения сигнала.

Третье исследование посвящено

моделированию распространения ЭМИ в

продольно-слоистых средах с аномалиями.

Построена модель, включающая антенный блок АБ-1200, расположенный

над продольно-слоистой средой. Рассчитаны картины электромагнитных полей

для случаев наличия в среде различных аномалий. Результаты теоретического

расчета для воздушной и водяной линз

приведены на рис. 11 в виде моментальных

картин напряженности электрического поля,

соответствующих различным значениям

диэлектрической проницаемости области

п ,, .. аномалий еа. Из рис. 11 видно, что в этих

Рис. 11. Мгновенные значения ¥

напряженности электрического областях наблюдается эффект изменения

поля: А) е„~ 1; Б) еа= 64. „ ,

картины линии синфазности.

Для проверки достоверности результатов проведенных теоретических

исследований поставлены эксперименты на песке с вмещенными объемами

воздуха и воды. Полученные радарограммы изображены на рис. 12А и 12Б, где

Рис. 10. Теоретические радарограммы песка с металлическим объектом для разных значений IV.

• е А в

3* '

:->ч : щ * '

Г; »

области аномалий обведены и помечены буквой «ал. На рисунках дополнительно приводятся трассы вдоль вертикали, проходящей через центры аномалий. Из сравнения данных радарограмм видно, что однозначная интерпретация свойств аномалии затруднена и требует применения дополнительных методов обработки.

Для задач практики важно знать, каков характер обнаруживаемых на радарограммах аномалий. При наличии априорных данных об обследуемой геологической структуре возможно установить диэлектрические свойства аномалий. Так на рис. 12В и 12Г приводятся радарограммы с учетом физических свойств среды. Видно, что в областях аномалий происходит изменение формы линий синфазности: расширению в случае е„ < е и расщеплению в случае еа > е (е -диэлектрическая проницаемость вмещающей среды). Этот эффект хорошо согласуется с результатом расчета, приведенным на рис. 11.

Информацию о свойствах обследуемой подпочвенной структуры, как правило, получают методом отбора проб грунта и пенетрацией. Однако в ряде случаев предсказать особенности распространения электромагнитного излучения в средах с аномалиями позволяет решение прямой задачи георадиолокации с построением радарограмм.

Результаты теоретического расчета радарограмм для моделей песка с воздушным и водяным объектами приведены на рис. 12Д и 12Е. Анализ контрастности и чередования линий синфазности теоретических радарограмм позволяет вывод об их соответствии экспериментальным данным.

Таким образом, для определения типа аномалии в процессе интерпретации георадиолокационных данных в ряде случаев можно использовать результаты решения прямой задачи георадиолокации. Решение типовых задач для различных классов неоднородностей в грунте с построением соответствующих радарограмм позволяет создавать каталог теоретических

$ -3

: :: ! А [ 1И11Ш

Рис. 12. Результаты обследования песка с вмешенным объемом:

A)воздуха; Б) воды;

B) воздуха с учетом свойств среды; Г) воды с учетом свойств среды;

Д) воздуха теория; Е) воды теория.

радарограмм, которые можно использовать при решении обратной задачи георадиолокации в целях повышения ее достоверности.

На основе решения прямой задачи в работе выполнена оценка возможности применения метода георадиолокации в конкретных геофизических задачах.

Четвертая глава посвящена разработке методов количественной интерпретации амплитудно-частотных характеристик георадиолокационной информации в средах с разной влажностью.

Для количественной оценки амплитуды георадиолокационных трасс введена интегральная характеристика - относительная отражательная способность слоя грунта (Е„). Среди возможных способов определения 2т рассмотрены

1т

¡=0

1т

(7)

(8)

где - отражательная способность слоя грунта; отражательная

способность всех слоев; Р(1) - трасса георадиолокационного обследования.

Применение к обратного синус-Фурье преобразования позволяет выделить сигнал на несущей частоте антенного блока. Использование этого сигнала для вычисления в (У) приводит к зависимости, изображенной на рис. 13 сплошной линией. Штриховая и пунктирная линии на рис. 13 соответствуют

5 '.оЕ

Рис. 13 значений точек трассы Р(1)

Время, не

Зависимость Е„от результатам расчета по формулам (7) и (8).

Видно, что зависимости 1 и 2, полученные по формуле (7) носят осциллирующий характер и неоднозначны при определении Результат расчета по формуле (8) приведен на рис. 13 пунктирной линией. Видно, что ее использование позволяет получить однозначную зависимость от времени.

1,0

0,9

о,а

X °'6

О ».5

. Ё°'4 'И 0,3

0,2

0,1

■ -• 2

/у* ---3

-----4

012Э4567В9101112131*15 экспериментальных

IV, %

Рис. 14 Зависимость Ет от № при разных Л: 1 - И = 0 см; 2 - И = 6 см; 3 - Л = 12 см; 4 - теория при А = 0 см.

Далее определено влияние влажности среды на относительную отражательную способность. Рассмотрены значимые для приложений случаи контакта антенного блока с грунтом и подъема антенного блока на фиксированные высоты к. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приведены на рис. 14 и хорошо согласуются между собой.

Для количественной интегральной оценки частоты спектра георадиолокационных трасс введена средневзвешенная частота (/£), для которой также получены зависимости от влажности И7 (рис. 15).

При построении рис. 14 и 15 из георадиолокационных данных вычтены трассы сигнала прямого прохождения и сигнала, отраженного от поверхности.

Анализ рис. 14 и 15 позволяет сделать вывод о том, что наиболее заметные изменения предложенных интегральных характеристик наблюдаются при малых к. Например, при /г=6 см зависимости £„ и отличаются от случая контакта с грунтом на 20-40%. Дальнейшее увеличение И уже не оказывает заметного влияния на антенную систему. Полученные кривые можно использовать как калибровочные при практическом определении влажности грунта по его отражательной способности.

В заключении четвертой главы выполнена оценка величины амплитудно-частотных характеристик и показано, что методы, основанные на оценке амплитуды сигнала более информативны. На основании этого вывода разработан метод определения загрязненности щебеночного балласта железнодорожного пути. Создана программа ЭВМ определения загрязненности в режиме реального времени.

В пятой главе исследуется возможность применения метода георадиолокации для поиска инородных объектов, маскированных в грунте.

-1 - -2 • з

---4

0123456799 101112131415

УУ, %

Рис. 15. Зависимостьот IV на разных А: 1 - И = 0 см; 2 - А = 6 см; 3 - Л = 12 см; 4 - теория при Л = 0 см.

■1 7

_ 4

5 j

О Б 10 15 20 25 30 35

Угол <р, град.

Рис. 16. Зависимость потока излученной мощности от угла (р.

Первое исследование посвящено анализу особенностей обнаружения инородных объектов под рельсошпальной решеткой железнодорожного пути. В частности, исследовано влияние угла поворота антенн в вертикальной плоскости (<р) и высоты их подъема над поверхностью грунта (А) на качество изображения инородных объектов на радарограммах.

Для расчетов создана компьютерная модель, состоящая из приемной и передающей антенн, работающих на частоте 1200 МГц, расположенных над рельсошпальной решеткой. На рис. 16 приведен график зависимости регистрируемой приемной антенной мощности излучения (/>„„) от угла <р (штриховая линия). Сплошной линией на рис. 16 приведены аналогичные расчеты для случая, когда в грунтовой среде на глубине 50 см помещен объект в виде металлического диска.

На рис. 17А и 17В приведено формирование фона рассеянного излучения для (0=0° и ч>=25°. Буквой «а» отмечено положение железобетонной шпалы. На рис. 17Б и 17Г показано возникновение отраженного излучения от металлического объекта (позиция «б»), маскированного в грунте и экранированного прямоугольной шпалой. Из сравнения рис. 17А и 17Б следует, что обычно используемое взаимное расположение антенн в блоке (р=0°) не приводит к надежному определению объекта. Для решения проблемы обнаружения инородных объектов методом георадиолокации необходимо выбирать оптимальное значение угла <р (рис. 17Г) Далее изучена зависимость интенсивности регистрируемого приемной антенной сигнала от высоты h. Рассчитана модель антенн, расположенных над поверхностью земли с изменением значения высоты h. Результат расчета зависимости модуля напряженности электрического поля в приемной антенне {Еприем) от высоты h приведен на рис. 18 (значения Еприеи нормированы к модулю напряженности в центре передающей антенны). Видно, что

Рис. 17. Распределение Рт

зависимость носит периодический характер. Окончательный выбор высоты подвеса с учетом полученной зависимости должен обеспечивать безопасность

Для экспериментальной проверки результатов расчета создана конструкция, позволяющая изменять угол подвеса антенн и контролировать направление потока излучения. На рис. 19 приведена радарограмма с изображением маскированного объекта (обведен в рамку), которая получена при георадарной съемке с учетом оптимальных параметров (<р=25°, /7=0.3 м) высоты расположения и угла атаки антенн георадара. Использован антенный блок, работающий на частоте 1200 МГц.

Разработанный подвес в составе программно-аппаратного комплекса позволяет более эффективно обнаруживать маскированные объекты в грунте методом георадиолокации.

Второе исследование связано с разработкой метода обнаружения инородных объектов в однородно-слоистых средах.

Метод базируется на систематическом георадиолокационном обследовании

интересующих участков пути и сравнении полученных георациолокационных данных.

Для сравнения радарограмм создана программа ЭВМ, результаты работы которой демонстрирует рис. 20.

На рис. 20А в рамку обведен маскированный инородный объект под рельсошпапьной решеткой железнодорожного пути. На рис. 20Б стрелкой указано положение маскированного объекта, автоматически локализованного программой обработки и наложенного на исходную (эталонную) радарограмму.

На основании проведенных исследований построен прототип радиоуправляемого самоходного устройства для автоматической локализации инородных объектов под рельсошпальной решеткой.

движения устройства.

0 0,60

I- 0,50

О 0,45

S 0,40 Ф

S 0,35

с о.зо

ш 0,25 0,20

Ад

3/S 5/8 7/8 9/8 11/8 13/8 15/8

h, X

Рис. 18. Зависимость амплитуды сигнала от h.

!S>• ■ ■т м ■

Рис. 19. Изображение маскированного объекта (в рамке) на радарограмме.

SТ. Vi С-':; Ii51 1 !« В.' SM 1V3 Sil r.f,

Рис. 20. Радарограммы: А) с маскированным объектом (в рамке); Б) с изображением локализованного объекта (отмечено стрелкой).

В заключении формулируются основные выводы и результаты, полученные в настоящей работе.

Личный вклад соискателя. Автором созданы представленные в работе модели, методики и алгоритмы, принимал непосредственное участие в разработке программных средств. Самостоятельно выполнены все представленные в работе расчеты, исследования, в том числе сравнения с результатами других авторов, сравнения с экспериментальными данными, сформулированы выводы по результатам работы. Эксперименты выполнены автором совместно с сотрудниками РГУПС к.т.н. В.Л. Шаповаловым, к.т.н. М.В. Окостом в лабораториях РГУПС и на объектах Северо-Кавказской и Горьковской железных дорог.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хакиев, З.Б. Некоторые особенности Амплитудно-частотных характеристик георадиолокационных трасс в средах с различной проводимостью. // Известия СКНЦ Высшей школы. Естественные науки. -Ростов-на-Дону, 2009. -Т.6. -С.41-43.

2. Явна, В.А. Георадарное диагностирование железнодорожного земляного полотна. / В.А. Явна, В.И. Грицык, A.A. Попов, В.В. Ковдус, З.Б. Хакиев // Вестник РГУПС. Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2005. -№2. -С.93-99.

3. Колесников, В.И. Георадиолокационные признаки областей с аномальными физическими свойствами. / В.И. Колесников, В.А. Явна, В.В. Ковдус, B.JL Шаповалов, З.Б. Хакиев // Вестник РГУПС. Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2005. -№3. - С.124-127.

4. Явна, В.А. Антенна для скоростного мониторинга железнодорожного пути. / В.А. Явна, В.А. Попов, В.В. Ковдус, З.Б. Хакиев // Вестник РГУПС. Железнодорожный путь и транспортное строительство, 2006, -№2.-С.20-23.

5. Khakiev, Z.B. Improving GPR monitoring of track ballast and railway structural integrity / Z.B Khakiev, V.A Bilalov, A.V Morozov and V.A. Yavna // First break - 2009. V. 27. - P. 93-95.

6. Колесников, В.И. Широкополосные узконаправленные антенны для обнаружения взрывных устройств в балластной призме железнодорожного пути. / В.И. Колесников, З.Б. Хакиев, Д.В. Явна, П.Ю. Петров // Труды девятой всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», Санкт-Петербург, 2006, Т.1. -С.279-285.

7. Явна, В.А. Широкополосные направленные антенны для мониторинга состояния балластной призмы железнодорожного пути. / В.А. Явна, З.Б. Хакиев, A.B. Билалов, В.А. Морозов // Тезисы докладов второй международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика - 2006», Москва, 2006. -С.82-83.

8. Шаповалов, B.JI. Георадиолокационная диагностика железнодорожного пути в скоростном режиме. / B.JI. Шаповалов, В.В. Ковдус, З.Б. Хакиев,

A.A. Зарифьян, В.А. Явна, В.В. Помозов, A.B. Дудник, Б.А. Наумов // Труды третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», Москва, 2006. -С.58-60.

9. Хакиев, З.Б. Моделирование распространения импульсов электромагнитного излучения в веществе. / З.Б. Хакиев, A.B. Морозов,

B.А. Явна // Тезисы докладов третьей международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2007», Москва, 2007. -

C.88-90.

10. Хакиев, З.Б. Узконаправленные антенные блоки георадаров. / З.Б. Хакиев,

A.Ю. Карпов, A.A. Бахарев, В.А. Явна // Тезисы докладов третьей международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2007», Москва, 2007. -С.83-85.

11. Хакиев, З.Б. Прямая задача георадиолокации. Расчеты радарограмм для сред с разной влажностью. / З.Б. Хакиев, A.A. Бахарев, А.Ю. Карпов,

B.А. Явна // Тезисы докладов четвертой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2008», Москва, 2008. -С.

12. Хакиев, З.Б. Профилирование основной площадки земляного полотна и определение засоренности балласта в режиме реального времени. / З.Б. Хакиев, Д.В. Явна, B.JI. Шаповалов, М.В. Окост // Тезисы докладов четвертой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2008», Москва, 2009. -С.

13. Хакиев, З.Б. Количественная интерпретация георадарограмм влажного грунта. / З.Б. Хакиев, В.В. Помозов, В.А. Явна // Тезисы докладов пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2009», Москва, 2009. -С.

14. Хакиев, З.Б. Математическое обеспечение для изучения динамических процессов грунтов методом сравнения радарограмм / Хакиев З.Б., Морозов A.B., Тишевской И.Н., Явна В.А. // Тезисы докладов пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика-2009», Москва, 2009. -С.

15. Хакиев, З.Б. Определение свойств грунта георадиолокационным методом. / Труды третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2009. - Т. 1. -С. 177-181.

16. Хакиев, З.Б. Расчет радарограмм для сред с разной влажностью. / З.Б. Хакиев, А.Ю. Карпов, В.А. Явна // Труды докладов третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2009. -Т.1. -С.151-153.

Статьи [1-4] входят в перечень журналов, рекомендованных ВАК для

публикации материалов кандидатской диссертации.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Гринев, А.Ю. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография [Текст] / Под ред. А.Ю. Гринева // М.: Радиотехника. 2005. С. 34.

2. Владов, МЛ. Старовойтов A.B. Введение в георадиолокацию / М.Л. Владов, A.B. Старовойтов // -М.: Изд-во МГУ. -1998.

3. Владов, М.Л. Георадиолокационные исследования верхней части разреза / М.Л. Владов, A.B. Старовойтов // -М.: Изд-во МГУ. -2002. -С.90.

4. Горбатенко, О.Н. Использование радиопоглощающих и радиорассеивающих материалов коврового типа для защиты георадара от электромагнитных помех в верхней полусфере / О.Н. Горбатенко,

М.В, Прокофьев, К.А. Смольников // Меж.-нар. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика 2006». - Геленджик, -2006. -С.79-80.

5. Chaudhuri, Y.W. An FDTD/ray-tracing analysis method for wave penetration through inhomogeneous walls. / Y.W. Chaudhuri, S.K. Safavi-Naeini // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.50, Issue 11, pp. 1598-1604, 2002.

6. Борн, M. Основы оптики [Текст] / M. Борн, Э. Вольф. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Наука, 1973. - 719 с.

Хакиев Зелимхан Багауддинович

Исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры

Автореферат на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. Л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №

Ростовский государственный университет путей сообщения. Ризография РГУПС.

Адрес университета: 344038, Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Хакиев, Зелимхан Багауддинович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ОБЪЕКТОВ ИНЖЕНЕРНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ.

1.1. Метод георадиолокации.

1.2. Физические основы метода георадиолокации.

1.3. Преимущества метода георадиолокации.

1.4. Область применения метода георадиолокации.

1.5. Обратная задача георадиолокации.

1.6. Прямая задача георадиолокации.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТЕННОГО БЛОКА ГЕОРАДАРА.

2.1. Компьютерная модель антенного блока АБ-1200.

2.2. Моделирование импульса.

2.3. Расчет характеристик АБ-1200.

2.4. Расчет и оптимизация рупора для АБ-1200.

2.5. Частотные характеристики АБ-1200 с рупором.

2.6. Основные результаты Главы 2.

ГЛАВА 3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРОДОЛЬНО-СЛОИСТЫХ СРЕДАХ.

3.1. Распространение электромагнитного излучения в среде с затуханием.

3.2. Описание компьютерной модели.

3.3. Расчет теоретических радарограмм.

3.4. Влияние влажности и засоленности среды на радарограммы.

3.5. Моделирование сред с аномалиями.

3.6. Оценка применимости метода георадиолокации в конкретных геологических условиях.

3.7. Основные результаты Главы 3.

ГЛАВА 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В

СРЕДАХ С ВЛАЖНОСТЬЮ.

4.1. Моделирование распространения излучения во влажной среде.

4.1.1. Расчет электропроводности воды.

4.1.2. Выбор диэлектрической проницаемости воды.

4.1.3. Зависимость затухания сигнала от влажности среды.

4.2. Количественные характеристики радарограмм.

4.2.1. Относительная отражательная способность.

4.2.2. Определение влажности среды.

4.2.3. Средневзвешенная частота.

4.2.4. Оценка информативности амплитудных и частотных характеристик радарограммы.

4.2.5. Методика определения загрязненности щебня.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры"

В настоящее время метод подпочвенного зондирования или георадиолокация [1, 2] (в англоязычной литературе «Ground Penetrating Radar» или GPR) является одним из наиболее новых и интенсивно развивающихся методов неразрушающего контроля, способным предоставить достаточно полную и достоверную информацию о состоянии обследуемой среды. Метод георадиолокации находит широкое практическое применение для решения ряда задач - от оконтуривания месторождений [3] до диагностики состояния элементов инфраструктуры инженерных и транспортных объектов [4]. Работы по использованию подпочвенного зондирования ведутся как у нас в стране [1-4] так и за рубежом [5-6].

Применение метода георадиолокации может осуществляться при непосредственном контакте антенных блоков с исследуемой средой [7]. Вместе с этим, для повышения скорости проведения георадиолокационных обследований георадарьт устанавливаются на автомобили [8], вагоны [9] и летательные аппараты [10-11].

Современное интенсивное расширение сети автомобильных и железных дорог привело к ужесточению требований, предъявляемых к их безопасности и к необходимости проведения качественного и информативного обследования дорожного полотна.

Анализ имеющихся физических методов геодиагностики [12-17] показал, что для решения отмеченных выше задач наиболее перспективным является метод георадиолокации, позволяющий организовать систему скоростного неразрушающего контроля за состоянием объектов инженерной и дорожной инфраструктуры. В связи с этим диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов распространения электромагнитного излучения в многослойных неоднородных грунтовых средах на основе метода георадиолокации. В частности в диссертации: разработаны методы конструирования аппаратуры для георадиолокационного обследования инженерных объектов;

- рассмотрены основные закономерности и особенности в формировании георадарограмм при распространении СВЧ излучения в многослойных средах, включающих области аномалий;

- разработан метод количественной оценки свойств среды по отраженному электромагнитному сигналу;

- предложены критерии оценки возможности использования метода георадиолокации для решения конкретных прикладных задач;

- созданы оборудование и технология для диагностики структуры грунта и поиска инородных объектов, включая взрывные устройства.

Актуальность темы исследований. Физические и геофизические методы исследования многослойных неоднородных сред (грунтов) находят в последнее время все более широкое применение в технике [3, 8, 12]. Это связано в первую очередь с тем, что применяемые сегодня разрушающие методы (пенетрация, отбор проб грунтов бурением и т.д.) не позволяют получать информацию об обследуемой среде в нужном объеме и сопряжены со значительными временными, трудовыми и материальными затратами.

Практически значимые результаты можно получить, комплексируя эти методы с методами неразрушающего контроля: георадиолокацией [1, 2], сейсморазведкой [15-16], электроразведкой [13-14] и др.

С помощью метода георадиолокации, сегодня решаются такие задачи, как качественное определение положения границы раздела грунтовых слоев [4-6], уровня залегания верхней границы грунтовых вод [7], диагностика состояния элементов инженерных объектов [8-10] и т.п.

Георадиолокационный метод обследования имеет ряд преимуществ перед отмеченными выше разрушающими методами в скорости, экономичности и эффективности использования [12]. Однако, не смотря на очевидную привлекательность использования метода георадиолокации [2, 7], существуют и проблемы применения данного метода. Главная трудность заключается в том, что при использовании универсальной георадиолокационной аппаратуры в условиях сложной инженерной инфраструктуры возникает ряд трудностей при интерпретации получаемой информации, связанных с помехами, от которых необходимо избавляться [18], а также с особенностями распространения волн в грунтовых средах с аномалиями или включениями [19]. В связи с этим разработка методов количественной интерпретации и совершенствование аппаратуры для работы в указанных условиях является актуальной задачей. Кроме того, метод георадиолокационного зондирования относительно молодой и его теория все еще не сформирована в необходимом объеме. Так для достоверной интерпретации георадиолокационных данных (обратная задача георадиолокации) необходимо исследовать механизмы распространения излученных радиоволн в грунте, особенности отражений от объектов, влияние влажности и других свойств среды (прямая задача георадиолокации).

Таким образом, представляется актуальным исследование особенностей использования метода георадиолокации в условиях развитой инженерной инфраструктуры, механизмов формирования отраженных сигналов в многослойных неоднородных средах, а также применение метода для обнаружения, в частности, взрывных устройств и других опасных включений в грунте. Результаты данных исследований повысят эффективность и достоверность данного метода при использовании в условиях сложной инженерной инфраструктуры. Предложенные подходы помогут оценить возможности использования метода георадиолокации для решения конкретных прикладных задач.

С практической точки зрения актуальность работы связана с разработкой методов конструирования аппаратуры для георадиолокационного обследования железнодорожного пути на основе решения прямой задачи георадиолокации. Выполненные исследования позволяют более детально и качественно интерпретировать данные, получаемые георадарами и, следовательно, более точно восстанавливать подземную структуру обследуемых грунтов. Кроме того, на основе использования георадиолокационного метода создан и апробирован программно-аппаратный комплекс для диагностики балластной призмы и поиска инородных объектов, включая взрывные устройства.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научные задачи:

1. Исследование влияния электрофизических свойств, среды на характеристики радарограмм.

3. Разработка метода и аппаратуры для обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте.

Научная новизна работы. В работе впервые:

- исследован характер влияния электрофизических свойств среды и ее аномальных зон на радарограммы;

- разработан метод количественной оценки свойств грунтовых сред по отраженному сигналу;

- разработаны требования к аппаратуре для обследования объектов инженерной инфраструктуры.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

4. Оборудование с заданными физическими параметрами для применения в условиях сложной инженерной инфраструктуры. Достоверность полученных результатов определяется использованием при теоретических исследованиях современных апробированных представлений волновой теории электромагнитного излучения [20], современных методов вычислений и обработки данных [21-24], библиотек компьютерных алгоритмов [25-27]. Все теоретические выводы и полученные результаты подтверждались лабораторными и натурными проверками и испытаниями [28-30].

Научная и практическая значимость. Применение георадиолокационного метода для подпочвенного зондирования имеет ряд преимуществ перед другими геофизическими методами. Основными преимуществами являются высокая производительность метода, скорость проведения обследования, экономия временных и трудовых затрат, скорость получения достоверной и качественной информации. Вместе с этим, теория метода георадиолокации и опыт его использования для диагностики железнодорожного пути требуют дальнейшего развития. На основе полученных в работе результатов созданы неразрушающие методы определения засоренности балласта и подсчета числа деформаций земляного полотна. Эти методы используются на объектах СевероКавказской и Горьковской железных дорог в процессе текущего содержания, капитальных ремонтов и реконструкций железнодорожного пути, контроля проведенных ремонтно-восстановительных работ. Разработанный метод обследования грунтов лег в основу создания прототипа радиоуправляемого самоходного устройства для обнаружения на наличие потенциально опасных включений, в том числе взрывных устройств.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и опубликованы в материалах следующих конференций: девятой всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности» в 2006 году, г. Санкт-Петербург; третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства1 и эксплуатации железнодорожного пути» в 2006 году, г. Москва; второй, третьей, четвертой и пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика» в 2006-2009 годах, г. Геленджик; третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» в 2009 году, г. Москва.

Материалы диссертации отражены в следующих работах:

1. Явна, В.А. Георадарное диагностирование железнодорожного земляного полотна. / В.А. Явна, В.И. Грицык, А.А. Попов, В.В. Ковдус, З.Б. Хакиев // Вестник РГУПС. Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2005. -№2. -С.93-99.

2. Колесников, В.И. Георадиолокационные признаки областей с аномальными физическими свойствами. / В.И. Колесников, В.А. Явна, В.В. Ковдус, В.Л. Шаповалов, З.Б. Хакиев // Вестник РГУПС.

Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2005. -№3. -С.124-127.

3. Явна, В.А. Антенна для скоростного мониторинга железнодорожного пути. / В.А. Явна, В.А. Попов, В.В. Ковдус, З.Б. Хакиев // Вестник РГУПС. Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2006, -№2. -С.20-23.

4. Khakiev, Z.B. Improving GPR monitoring of track ballast and railway structural integrity / Z.B Khakiev, V.A Bilalov, A.V Morozov and V.A. Yavna // First break, March 2009. V. 27. - P. 93-95.

5. Хакиев, З.Б. Некоторые особенности Амплитудно-частотных характеристик георадиолокационных трасс в средах с различной проводимостью. / Хакиев З.Б. // Известия СКНЦ Высшей школы. Естественные науки. - Ростов-на-Дону. - 2009. - Т.6. -С.41-43.

7. Явна, В.А. Широкополосные направленные антенны для мониторинга состояния балластной призмы железнодорожного пути. / В.А. Явна, З.Б. Хакиев, А.В. Билалов, В.А. Морозов // Тезисы докладов второй международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика-2006». Москва-2006. -С.82-83.

8. Шаповалов, B.JI. Георадиолокационная диагностика железнодорожного пути в скоростном режиме. / B.JI. Шаповалов, В.В. Ковдус, З.Б. Хакиев, А.А. Зарифьян, В.А. Явна, В.В. Помозов, А.В. Дудник, Б.А. Наумов // Труды третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы. проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», Москва - 2006. -С.58-60.

9. Хакиев, З.Б. Моделирование распространения импульсов электромагнитного излучения в веществе. /З.Б. Хакиев, А.В. Морозов, В.А. Явна // Тезисы докладов третьей международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2007». Москва - 2007, -С.88-90.

10. Хакиев, З.Б. Узконаправленные антенные блоки георадаров. / З.Б. Хакиев, А.Ю. Карпов, А.А. Бахарев, В.А. Явна // Тезисы докладов третьей международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2007», Москва - 2007. -С.

11. Хакиев, З.Б. Прямая задача георадиолокации. Расчеты радарограмм для сред с разной влажностью. / З.Б. Хакиев, А.А. Бахарев, А.Ю. Карпов, В.А. Явна // Тезисы докладов четвертой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика — 2008», Москва - 2008.

12. Хакиев, З.Б. Профилирование основной площадки земляного полотна и определение засоренности балласта в режиме реального времени. / З.Б. Хакиев, Д.В. Явна, B.JL Шаповалов, М.В. Окост // Тезисы докладов четвертой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2008», Москва - 2008.

14. Хакиев, З.Б. Математическое обеспечение для изучения динамических процессов грунтов методом сравнения радарограмм / Хакиев З.Б., Морозов А.В., Тишевской И.Н., Явна В.А. // Тезисы докладов пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2009», -2009.

15. Хакиев, З.Б. Определение свойств грунта георадиолокационным методом. / Труды третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва - 2009. - Т. 1. -С. 177-181.

Публикации № 1-4, 7, 8, 10 посвящены применению георадиолокационного метода для обследования состояния балласта и земляного полотна железнодорожного пути. В них рассматриваются вопросы обработки георадарограмм, особенности получения информации в скоростном режиме с использованием подвижных составов.

Публикации 5, 9, 11-13, 15 и 16 посвящены особенностям распространения электромагнитных волн в средах с аномалиями в процессе обследования методом георадиолокации, решению прямой задачи георадиолокации и расчету радарограмм для сред с разными электрофизическими свойствами; определению амплитудно-частотных характеристик радарограмм, разработке метода определения засоренности балласта в режиме реального времени.

Публикации 6, 14 посвящены методу обнаружения инородных объектов в грунте, автоматической локализации инородных объектов и созданию устройства для поиска инородных тел, маскированных в грунте.

В указанных публикациях З.Б. Хакиеву принадлежат:

- анализ проблематики и постановка задачи исследования;

- проведение лабораторных и полевых испытаний и исследований;

- теоретические исследования по проблемам георадиолокации (совместно с руководителем В.А. Явна);

- теоретические исследования по изучению особенностей распространения электромагнитных волн в неоднородных средах и средах с аномалиями, расчеты радарограмм (совместно с руководителем В.А. Явна);

- систематизация и обобщение результатов (совместно с руководителем В.А. Явна);

- постановка направлений дальнейших исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

5.5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 5

Сформулированы основные результаты, полученные в Главе 5:

1. Исследованы особенности использования антенн георадара в условиях сложной инженерной инфраструктуры железнодорожного пути. Получены оптимальные углы атаки антенн и высоты подъема антенн над поверхностью грунта для обнаружения инородных объектов.

2. Разработана методика обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте; создана программа автоматической локализации инородных объектов в грунте методом сравнения радарограмм.

3. Создан прототип самодвижущейся радиоуправляемой тележки для обнаружения инородных объектов на железной дороге; проведены успешные испытания на участке железнодорожного пути по обнаружению маскированного взрывного устройства.