СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1998 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к радиолокации, а именно к способам исследования подповерхностных слоев различных объектов, например, грунта, строительных конструкций, ледяных образований, донных отложений и т.д.

Известен способ исследования подповерхностных слоев объектов, заключающийся в бурении скважины и взятии из нее образцов пород [1] Этот способ характеризуется большими материальными, временными и трудовыми затратами. Кроме того, известный способ имеет ограниченную область применения, т.к, он не обеспечивает целостность исследуемого объекта.

Известен способ исследования подповерхностных слоев объектов, заключающийся в формировании акустической волны [2] например, с помощью взрыва или высокомощного акустического генератора, последующем приеме и обработке отраженных от подповерхностных слоев акустических волн. Этот способ имеет ограниченную область применения, так как характеризуется низкими экологическими параметрами, в частности, он неприменим в населенных пунктах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в [3, 4] Известный способ основан на радиорефлектометрии и заключается в том, что формируемый сигнал направляют на исследуемый объект, а отраженные от объекта сигналы и формируемый сигнал подают на стробоскопический осциллограф, синхронизированный с передатчиком. Сигнал, формируемый на выходе стробоскопического осциллографа, является аналоговым, и его текущие значения преобразуют в цифровую форму. Из преобразованного цифрового сигнала селектируют первые три импульса, для которых определяют спектральные плотности и ее экстремальные значения. Из соотношения экстремальных значений спектральной плотности судят об электрофизических параметрах зондируемых объектов.

Обработка принятого сигнала в данном способе относительно проста, что связано с тем, что предполагается, что среда, образующая зондируемый объект, является диэлектрической без потерь. Способ неприменим для измерения электрофизических параметров объектов, образованных недиэлектрическими средами. Это приводит к его малой информативности и непригодности при решении таких задач, как, например, неразрушающий контроль объекта, идентификация и распознавание свойств образующей его среды.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении области применения путем определения электрофизических параметров среды подповерхностных слоев объектов, имеющих произвольную природу (диэлектрик, полупроводник, проводник) по параметрам отраженного сигнала.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе исследования подповерхностных слоев объектов радиоимпульсный сверхширокополосный сигнал направляют на исследуемый объект и принимают отраженные от него сигналы и, согласно изобретению, предварительно радиоимпульсный сверхширокополосный сигнал направляют на диэлектрический плоский объект без потерь с известным коэффициентом диэлектрической проницаемости подповерхностного слоя и принимают отраженные от него сигналы; из принятых отраженных от диэлектрического плоского объекта без потерь сигналов выделяют только первый, который используют в качестве опорного сигнала; из принятых отраженных от исследуемого объекта сигналов выделяют только первый, задерживают его на некоторый временной интервал и используют в качестве измерительного сигнала; из соотношения сформированных опорного и измерительного сигналов получают совокупность коэффициентов отражения от подповерхностного слоя исследуемого объекта, содержащую не менее пяти экстремальных точек, количество которых определяется временным интервалом задержки измерительного сигнала; из совокупности коэффициентов отражения от подповерхностного слоя исследуемого объекта выделяют только экстремальные точки, по которым судят об электрофизических параметрах подповерхностного слоя исследуемого объекта.

Преимуществом предлагаемого способа исследования подповерхностных слоев объектов является его информативность, поскольку из совокупности действительных и мнимых частей коэффициентов отражения, полученных на частотах опорного сигнала, можно определить полный набор электрофизических параметров, характеризующих среды подповерхностных слоев исследуемых объектов: комплексные коэффициенты диэлектрической и магнитной проницаемости, а также число точек, участвующих в формировании измерительного сигнала.

На фиг. 1а изображена трехслойная структура диэлектрического плоского объекта без потерь; на фиг. 1б трехслойная структура исследуемого объекта, где R расстояние от точки наблюдения до исследуемого объекта, R' - расстояние от точки наблюдения до диэлектрического плоского объекта; на фиг. 2 схема проведения исследования подповерхностных слоев объектов; на фиг. За - формирование сигнала, отраженного от трехслойного плоского диэлектрического объекта без потерь; на фиг. 3б диаграмма последовательности импульсов, отраженных от трехслойного плоского диэлектрического объекта без потерь; на фиг. 3в диаграмма сформированного опорного сигнала; на фиг. 4а - формирование отраженного сигнала от трехслойной структуры исследуемого объекта; на фиг. 4б диаграмма последовательности импульсов, на который по оси абсцисс отложена амплитуда импульса, а по оси ординат время задержки импульса; на фиг. 4в диаграмма сформированного измерительного сигнала; на фиг.5 векторная диаграмма для спектральных составляющих измерительного и опорного сигналов на частоте ω, входящей в диапазон частот опорного сигнала; на фиг. 6 векторная диаграмма для спектральных составляющих измерительного и опорного сигналов на частоте w входящей в диапазон частот опорного сигнала; на фиг. 7 зависимость действительной части коэффициента отражения от подповерхностного слоя исследуемого объекта от фазы Dv_o(ω) между спектральными составляющими измерительного и опорного сигналов на частоте ω, входящей в диапазон частот опорного сигнала.

Для простоты рассмотрим пример, когда диэлектрический плоский объект без потерь имеет первый 1, второй 2 и третий 3 слой (фиг. 1а). Слой 3 является окружающей средой, из которой проводится зондирование с целью последующего формирования опорного сигнала. Поэтому он характеризуется коэффициентом диэлектрической проницаемости e₃= 1 Слой 2 состоит из диэлектрика без потерь с известным коэффициентом диэлектрической проницаемости ε₂= a Оставшийся слой 1 имеет произвольную электрофизическую природу.

Исследуемый объект имеет первый 1', второй 2' и третий 3' слой (фиг. 1б). При этом предположим, что подповерхностный слой 2' состоит из вещества, электрофизические свойства которого характеризуются коэффициентами диэлектрической проницаемости , удельной электропроводностью , коэффициентом магнитной проницаемости μ. Слой 3' соответствует среде, из которой проводится зондирование объекта с целью последующего формирования измерительного сигнала. Это воздух с известным коэффициентом диэлектрической проницаемости . Оставшийся слой 1' имеет произвольную электрофизическую природу.

Пусть исследуемый объект (ИО) и диэлектрический плоский объект (ДПО) (фиг. 2) расположены на одинаковом расстоянии R R' относительно точки наблюдения.

Сначала направляют радиоимпульсный сверхширокополосной сигнал из точки наблюдения по нормали к диэлектрическому плоскому объекту. При последовательном переотражении данного сигнала соответственно от каждой границы 4,5 раздела слов (фиг. 3а) принимают в точке наблюдения отраженный сигнал (фиг. Зб), а из него выделяют только первый сигнал (фиг. Зв), амплитуда которого зависит от коэффициента диэлектрической проницаемости второго 2 и третьего 3 слоев. Этот сигнал используют как опорный.

Затем направляют радиоимпульсный сверхширокополосный сигнал из точки наблюдения по нормали к исследуемому объекту. При последовательном переотражении данного сигнала соответственно от каждой границы 4', 5' раздела слоев (фиг. 4а) принимают в точке наблюдения отраженный сигнал (фиг. 4б), а из него выделяют только первый сигнал (фиг. 4в), структура которого зависит от коэффициента диэлектрической проницаемости второго 2' и третьего 3' слоев. Этот сигнал используется как измерительный.

Определяют спектры выделяемых опорного E_оп(ω) и измерительного E_отр(ω) сигналов:

Используя спектры (1) выделенных опорного E_оп(ω) и измерительного E_отр(ω) сигналов, определяют совокупность коэффициентов отражения:

из которой формируют совокупность действительных Vg(u) и мнимых V_м(ω) частей коэффициентов отражения.

Определив совокупность действительных V_g(ω) и мнимых V_м(ω) частей коэффициентов отражения V(ω) от внешнего слоя трехслойной структуры (фиг. 1б), можно определить необходимые электрофизические параметры.

Известно [6] что коэффициент e_p(ω) отражения от границ 5 третьего и второго слоя диэлектрического плоского объекта без потерь определяется соотношением
,
где S_o(ω) спектр отраженного сигнала,
S_пад(ω) спектр падающего сигнала.

Из соотношения (3) получаем:
S_o(ω) = S_пад(ω)e_p(ω). (4).

Известно также [6] что для границы 5 третьего и второго слоев, состоящих из диэлектрического материалов без потерь с коэффициентами диэлектрической проницаемости ε₃= 1 и ε₂= a, e_p(ω) (3) определяется из соотношения:
.

Подставив зависимость (5) и (4), получаем выражения для спектра отраженного сигнала
.

Известно, что при одинаковом расстоянии до двух зондируемых по нормали объектов падающие на них сигналы имеют одинаковые спектры. Это означает, что если спектр сигнала, падающего на исследуемый объект, равен , то при соблюдении условий зондирования, показанных на фиг. 2, можно считать, что

где S_пад(ω) соответствует функции, формирующей в (6).

Определим величину

где спектр сигнала, отраженного от границы 5' третьего и второго слоя диэлектрического плоского объекта без потерь;
спектр сигнала, отраженного от границы 5' третьего и второго слоя исследуемого объекта.

Подставляя зависимость (6) и (7) в (8), получим выражение для
,
e*p

(ω) коэффициент отражения от границы 5' третьего и второго слоя исследуемого объекта.

Известно [6] что коэффициент отражения e*p

(ω) при условии, что второй слой имеет произвольную электрофизическую природу: определяется соотношением:
,
где z(ω) волновое сопротивление среды второго слоя, равное

Подставляя зависимости (12) и (13) в (11), получим:


Соотношение (14) может быть записано в полярной системе координат:
Φ_o некоторый дополнительный фазовый угол, незнание которого приводит к неоднозначенности решения задачи исследования подповерхностных слоев объекта.

Для иллюстрации роли Φ_o в решении задачи рассмотрим векторные диаграммы (фиг. 5) для двух возможных случаев формирования S₀(t). Согласно диаграммам фиг. 5 в обоих случаях формируется одно и то же значение

что, согласно (17), означает существование неоднозначности решения задачи исследования подповерххностных слоев объекта при отсутствии информации о величине Φ_o.

Из соотношений (14) и (16) следует, что независимо от электрофизических параметров внешнего слоя объекта всегда e*рм

(ω) ≥ 0 Что же касается e*pg(ω) то эта функция знакопеременная. При этом, согласно фиг. 5, имеет место следующая закономерность:

Используя (18), можно сформировать значение Δϕ_o (17) для расчета истинных значений электрофизических параметров среды подповерхностного слоя исследуемого объекта.

Для этого достаточно предположить, что выделенные совокупности действительных V_g(ω) и мнимых V_м(ω) частей коэффициента отражения V(ω) (2) соответствуют расчетным значениям действительной и мнимой частей коэффициента отражения (9), которые с учетом (14) могут быть определены как

Тогда имеет место соотношение

учитывая которое, согласно (17) и (18) определим:
.

Учитывая, что exp(jΔϕ_o(ω)) = cosΔϕ_o(ω)+jsinΔϕ_o(ω), соотношение (16) приведем к виду:

где Δϕ_o соответствует (20), соответствует (17), а e*pg

(ω) и e*рм(ω) действительная и мнимая части коэффициента отражения e*p(ω) (14).

Так как условием точного соотношения расчетных и истинных электрофизических параметров при условии однозначного определения является равенство расчетного и измеренного коэффициентов отражения, то, используя соотношения (2) (V(ω) измеренный коэффициент отражения) и (9)( -расчетный коэффициент отражения), а также (16), (17) и (19) и, учитывая, что уравнения (21) являются совместными, можно сформировать следующее уравнение для расчета электрофизических параметров среды слоя 2' исследуемого объекта:

где а коэффициент диэлектрической проницаемости слоя 2 плоского диэлектрического объекта без потерь (фиг.1а);
соответствует (17) и с учетом (13) и (15) является функцией от определяемых электрофизических параметров слоя 2' исследуемого объекта (фиг. 1б) т.е.

Δϕ_o(ω) соответствует (20) и, согласно этому соотношению, является функцией от значений действительной V_g(ω) и мнимой V_м(ω) частей коэффициента отражения V(ω) (2) на частоте ω опорного сигнала, т.е.

Dv_o(ω) = f₁(ω, V_g(ω), V_м(ω)). (24)
Используя (23) и (24), уравнение (22) можно привести к виду:

Составляя уравнение (25) на разных частотах ω опорного сигнала, получим систему уравнений:

решение которой при n 3 обеспечит получение информации об электрофизических параметрах слоя 2 исследуемого объекта. Выше было сделано предположение, что R R', т.е. обеспечивается точная временная привязка начал опорного и измерительного сигналов. При неточной временной привязке начал опорного и измерительного сигналов, характеризуемой некоторой величиной Δτ в определяемую совокупность коэффициентов отражения V(ω) (2) будут вноситься искажения. При этом формируемая совокупность коэффициентов отражения V_н(ω) будет определяться как
V_н(ω) = V(ω) e^-jωΔt, (28)
где V(ω) соответствует истинной совокупности, определяемой по формуле (2).

Переход при неточной временной привязке начал опорного и измерительного сигналов от V(ω) (2) к V_н(ω) (28) означает, что будут вноситься искажения в формируемые совокупности действительных V_g(ω) и мнимых V_м(ω) частей коэффициентов отражения (2). Вновь формируемые совокупности действительных V_gн(ω) и мнимых V_мн(ω) частей коэффициентов отражения, согласно формулам (2) и (28), определяются как

а применение их при составлении и решении системы уравнений (27) приведет к непредсказуемым ошибкам в оценке электрофизических параметров ε, g, μ Выполнение вышеуказанного условия (R R') снижает оперативность и экономическую эффективность заявляемого способа и ограничивает область его применения.

При дальнейшем рассмотрении предполагается, что исследуемый объект (ИО) и диэлектрический плоский объект (ДПО) расположены на произвольных расстояниях до точки наблюдения (ТН) R и R' соответственно. Очевидно, что при R R' соотношение (7) может быть приведено к виду:

где c скорость распространения света, а появление дополнительного множителя e^-jωτ приводит к тому, что выражение для величины e*p

(ω) (16) примет вид:
,
где Δϕ_o/ соответствует (17).

Появление в выражении (31) дополнительного члена ωt делает задачу по оцениванию электрофизических параметров подповерхностного слоя неопределенной. Для устранения этой неопределенности учтем следующее.

Векторная диаграмма, иллюстрирующая процесс формирования в рассматриваемом случае, приведена на фиг. 6. Согласно ей при некотором заданном Δϕ*o

(ω) значению e*p(ω) соответствуют действительная и мнимая составляющие. При этом V_g(ω) зависит от Δϕ^*(ω) так, как показано на фиг. 7. Зависимость фиг. 7 имеет следующие закономерности:
1. В точках 1, 3.(экстремальные положительные значения V_g(ω), при которых положения совпадают Δϕ*o(ω) = 0, см. фиг. 6), имеют место соотношения:
,
2. В точках 2,4. (экстремальные положительные значения V_g(ω) при которых положения и противоположно направлены Δϕ*o(ω) = π, см. фиг. 6), имеют место соотношения:

Используя соотношения (17), (31), (32) и (33), можно составить следующую систему уравнений:

где
ω_i, ω_i+1 соответственно частоты соседних положительной и отрицательной экстремальных точек V_g(ω), выбранных в направлении возрастания Δϕ*o(ω) (см. фиг. 7).

Поскольку рассматривается случай зондирования объекта, подповерхностный слой которого имеет затухание, определяемое удельной электропроводностью слоя, то можно считать, что подповерхностный слой образован частотнозависимой средой. Это означает, что в уравнениях (34) Δϕ_o(ω_i) ≠ Δϕ_o(ω_i+1), а поэтому система уравнений (34) обеспечивает решение задачи оценивания электрофизических параметров зондирующих сред.

Преобразуем систему уравнений (34):
(ω_i+1-ω_i)ρτ+(Δϕ_o(ω_i+1) = Δϕ_o(ω_i)) = π. (35).

Тем самым обеспечивается уменьшение числа неизвестных (исключается из рассмотрения n) и сохраняются только искомые переменные, соответствующие электрофизическим параметрам и τ.

Полагая, что
w_i+1-ω_i< ξ, (36),
где ξ некоторая величина, при которой F_o фигурирующее в Δϕ_o/ (17), удовлетворяет условию:

уравнение (35) можно подвергнуть дальнейшим преобразованиям:
(ω_i+1-ω_i)τ+A(ω_i) = π, (38)
где

e_pM(.), e_pg(.) определяются соотношениями (15).

Особенностью уравнения (38) является то, что оно позволяет определить только один неизвестный параметр. Поэтому, выбирая большое количество экстремальных точек, расположенных по соседству, можно сформировать систему уравнений типа (38), достаточную для определения всех искомых электрофизических параметров.

Практически может оказаться, что τ малая величина, такая, что в полосе частот зондирующего сигнала Dw_o будет сформировано недостаточное количество экстремальных точек. Поэтому необходимо преднамеренно увеличить задержку между опорными S_оп(t) и отраженным S_отр(t) сигналами на некоторую величину τ_o (известную).

Тогда значение τ фигурирующее в (38), можно определить как
t = τ_o+τ_н, (39)
где τ_н неизвестная величина.

При этом для вновь сформированного сигнала S_отр(t-τ) закон изменения V_g(ω) (см. фиг. 7) сохранится. В частности, по-прежнему можно полагать, что
(ω_i+1-ω_i) = π.
Отсюда, полагая τ_o≫ τ_н определим:

а так как для организации обработки при полосе зондирующего сигнала Δω_o необходимо использовать N частотных интервалов ω_i+1-ω_i (40) где N число искомых параметров зондирующей среды (N ≥ 3), то значение τ_o используя (40), определим как

Введение задержки τ_o преобразует систему уравнений (38) к виду:

где ω_э1 частота положительного экстремума V_g(ω).

ω_э2 частота отрицательного экстремума V_g(ω) (см. фиг. 7).

Решая уравнения (42), можно определить искомые электрофизические параметры подповерхностного слоя зондируемого объекта.

Источники информации:
1. Советский энциклопедический словарь /Научно-редакционный совет: А. М. Прохоров (пред.). М. Сов. Энциклопедия, 1981, с. 1229.

2. Гангнус А. А. Тайна земных катастроф (Несколько вступлений к теме геопрогноза). М. Мысль, 1985, с. 163-164).

3. Андреянов В. А. Подповерхностная радиолокация слоисто-неоднородного грунта планеты. Радиотехника и электроника. 1992, т.37, N 11. с. 1937-1948.

4. Андреев Г. А. Зайцев Л.В. Яковлев В.В. Радиоволновые системы подповерхностного зондирования. Зарубежная радиоэлектроника, 1991, N 2, с. 8 - 11.

5. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. Сов.радио. 1972, с.340.

6. Гольдштейн Н. В. Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М. Сов. радио. 1971, с. 650.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к способам исследования подповерхностных слоев различных объектов. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение области применения путем определения электрофизических параметров среды подповерхностных слоев объектов, имеющих произвольную природу. Сущность изобретения: радиоимпульсный сигнал, отраженный от исследуемого объекта, задерживается на некоторый временной интервал, при котором формируется совокупность коэффициентов отражения от подповерхностного слоя исследуемого объекта, содержащая n ≥ 5 экстремальных точек. Этот задержанный сигнал используется как измерительный, а из сформированной совокупности действительной части коэффициентов отражения от подповерхностного слоя исследуемого объекта выделяют только экстремальные точки и соответствующие им частоты, по которым судят об электрофизических параметрах подповерхностного слоя исследуемого объекта. 7 ил.

Способ исследования подповерхностных слоев объектов, заключающийся в том, что радиоимпульсный сверхширокополосный сигнал направляют на исследуемый объект и принимают отраженные от него сигналы, отличающийся тем, что предварительно радиоимпульсный сверхширокополосный сигнал направляют на диэлектрический плоский объект без потерь с известным коэффициентом диэлектрической проницаемости подповерхностного слоя и принимают отраженные от него сигналы, из принятых отраженных от диэлектрического плоского объекта без потерь сигналов выделяют только первый, который используют в качестве опорного сигнала, из принятых отраженных от исследуемого объекта сигналов выделяют только первый, задерживают его на некоторый временной интервал и используют в качестве измерительного сигнала, из соотношения сформированных опорного и измерительного сигналов получают совокупность коэффициентов отражения от подповерхностного слоя исследуемого объекта, содержащую не менее пяти экстремальных точек, количество которых определяется временным интервалом задержки измерительного сигнала, из совокупности коэффициентов отражения от подповерхностного слоя исследуемого объекта выделяют только экстремальные точки, по которым судят об электрофизических параметрах подповерхностного слоя исследуемого объекта.