Устройство дистанционного измерения диэлектрической проницаемости плоскослоистых диэлектриков естественного происхождения с суммарно-разностной обработкой интерференционных сигналов Российский патент 2024 года по МПК G01N27/26 

Изобретение относится к области дистанционного измерения диэлектрической проницаемости участков земной поверхности, представляющих собой плоскослоистый диэлектрик естественного происхождения с потерями (грунты, почвы сельскохозяйственного назначения, снежный покров, лед, травянистая растительность и т.д.) на основе сравнения фаз интерференционных электромагнитных волн (ЭМВ) с вертикальной и горизонтальной поляризациями и направлено на повышение точности измерений.

Изобретение может быть использовано для определения зависящих от диэлектрической проницаемости физико-химических параметров плоскослоистых диэлектриков естественного происхождения с потерями, например, влажности почвы и солености морского льда.

Уровень техники

Характеристика аналогов технического решения

В настоящее время известны устройства дистанционного измерения диэлектрической проницаемости и других физико-химических параметров диэлектриков с потерями путем оценки параметров интерференционных волн, точностные характеристики которых значительно зависят от условий измерения [1], [2].

Известен способ [1] измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в СВЧ-диапазоне, заключающийся: в измерении зависимости коэффициента отражения Френеля плоского образца материала от угла падения ЭМВ в пределах от 40 до 90 градусов с помощью СВЧ-рефлектометра, когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения; в определении угла, соответствующего эффекту Брюстера, по графику зависимости коэффициента отражения от угла падения; в вычислении относительной диэлектрической проницаемости образца материала по известной формуле ε=(tgj_B)².

Недостатком данного способа является низкая точность определения относительной комплексной диэлектрической проницаемости при оценке в качестве объектов исследования участков земной поверхности, имеющих многослойную структуру и смешанный (диффузный и зеркальный) характер отражения.

Общим признаком для данного и заявляемого устройства является использование эффекта полного преломления ЭМВ (эффекта Брюстера) и возможность измерения диэлектрической проницаемости протяженных объектов.

Отличиями предлагаемого устройства определения диэлектрической проницаемости плоскослоистых диэлектриков естественного происхождения являются: использование для измерения угла Брюстера разности фаз вертикально и горизонтально поляризованных интерференционных ЭМВ; возможность проведения измерений в реальных условиях для поверхностей, имеющих многослойную структуру и смешанный (диффузный и зеркальный) характер отражения; использование суммарно-разностного способа обработки интерференционных сигналов.

Наиболее близким к заявленному (прототипом) является устройство дистанционного измерения влажности плоскослоистых диэлектриков с потерями [2], состоящее из двух беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), общей наземной станции управления, размещенных на первом БПЛА передатчике, цифровом вычислителе, измерителе пространственных координат и двух антенн, размещенном на втором БПЛА приемном оборудовании, включающем две антенны, два усилителя радиочастоты, фазовый дискриминатор, два измерителя действующей амплитуды интерференционного сигнала, цифровой вычислитель, измеритель пространственных координат.

Для дистанционного измерения влажности летательные аппараты с передающим и приемным оборудованием располагают над исследуемой поверхностью, облучают с позиции передатчика земную поверхность радиоволнами одной частоты с вертикальной и горизонтальной поляризацией, перемещают оба БПЛА таким образом, чтобы угол падения радиолокационного луча изменялся от 45 до 89 градусов (например, за счет одновременного увеличения высоты полета находящихся на постоянном удалении друг от друга БПЛА или при горизонтальном перемещении БПЛА с приемным оборудованием относительно БПЛА с передатчиком при их нахождении на одной высоте полета), принимают на приемной позиции интерференционные сигналы с горизонтальной и вертикальной поляризациями, представляющие собой сумму радиосигналов: прямо проходящего от радиопередающего модуля к радиоприемному модулю, отраженного от границы «воздух-поверхность» и проходящего ниже границы раздела «воздух-поверхность», усиливают с помощью двух усилителей радиочастоты отдельно интерференционные сигналы с вертикальной и с горизонтальной поляризациями, усиленные сигналы подают на два входа фазового дискриминатора и регистрируют разность фаз осцилляций интерференционных волн, преобразуют в цифровой сигнал постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз, с помощью аналого-цифрового преобразователя и передают код разности фаз в цифровой вычислитель, при достижении разности фаз значения π/2 определяют псевдоугол Брюстера, рассчитывают действительную и мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости контролируемого участка, по имеющимся зависимостям процентной влажности почвы от комплексной диэлектрической проницаемости вычисляют искомое значение влажности.

Общим для предлагаемого и известного устройств является: использование радиосигналов с вертикальной и горизонтальной поляризациями; размещение оборудования на подвижных носителях (БПЛА), управляемых одной наземной станцией; определение диэлектрических параметров плоскослоистых диэлектриков (например, влажности) на основе измерения угла Брюстера по фазовому сдвигу между интерференционными волнами с вертикальной и горизонтальной поляризациями.

Недостатком прототипа является наличие искажений фазовых сдвигов в каналах приема вертикально и горизонтально поляризованных волн интерференционных сигналов, вызванных: недостаточным ослаблением прямой ЭМВ за счет направленных свойств антенн; диффузным характером отражения от шероховатой поверхности, приводящих к снижению точности определения угла Брюстера; наличием электромагнитных помех в каждом канале приема. Например, как показано на фиг. 1а, при коэффициенте ослабления прямой волны 0,001 измерение угла Брюстера возможно с точностью до 1 градуса, а при значении коэффициента ослаблении 0,01 (фиг. 1,б) возникают локальные экстремумы, затрудняющие однозначное определение угла Брюстера.

Отличие предлагаемого устройства заключается в следующем: в приемно-обрабатывающее устройство бистатической радиолокационной системы измерения влажности включен суммарно-разностный блок [3, 4, 5], формирующий сумму и разность принятых антеннами радиосигналов с вертикальной и горизонтальной поляризациями:

;

,

где - сигнал, принятый антенной вертикальной поляризации;

- сигнал, принятый антенной горизонтальной поляризации;

- сигналы прямых ЭМВ каналов вертикальной и горизонтальной поляризаций;

- помеховые сигналы каналов вертикальной и горизонтальной поляризаций;

; - отраженные от земной поверхности сигналы ЭМВ вертикальной и горизонтальной поляризаций;

; - сигналы падающей ЭМВ, прошедшие от излучающих антенн вертикальной и горизонтальной поляризаций до земной поверхности;

; - коэффициенты отражения вертикально и горизонтально поляризованных волн.

С помощью суммарно-разностного устройства формируются два сигнала:

,

Если выполняются условия:

,

,

то для разностного выхода получим:

. (1)

Аналогично для суммарного выхода получим:

=. (2)

Так как внешние электромагнитные помехи одинаково действуют в каналах вертикальной и горизонтальной поляризации (), разностью помех в выражении (1) можно пренебречь. В разностном канале формируется сигнал, пропорциональный разности комплексных коэффициентов отражения вертикально и горизонтально поляризованных ЭМВ.

Таким образом, выражения (1) и (2) можно представить в виде:

, (3)

. (4)

Для формирования отношения напряжений суммарного и разностного каналов в логарифмическом масштабе используются усилители с логарифмическими амплитудными характеристиками. Тогда выражения (3), (4) принимают вид:

, (5)

. (6)

Обозначим независящие от угла падения амплитуды . После подстановки выражения (5), (6) примут вид:

, (7)

. (8)

Комплексные амплитуды и определяются расстояниями, пройденными ЭМВ от передающей антенны до точки отражения и от точки отражения до приемных антенн и имеют осциллирующий характер. Поэтому при изменении угла падения возникает несколько локальных максимумов на выходе приемно-обрабатывающего устройства (фиг. 2). Для устранения ложных максимумов сигнал разностного канала усиливают линейным усилителем с управляемым коэффициентом усиления.

Каждому значению относительной диэлектрической проницаемости соответствует одно значение коэффициента усиления, при котором пиковое значение амплитуды существенно превышает все остальные. На (фиг. 3) представлены зависимости изменений амплитуд , суммарного и разностного каналов после логарифмических усилителей.

Для определения угла падения, при котором возникает скачок напряжения, сигналы и еще раз суммируют и вычитают (фиг. 4), например, с помощью операционных усилителей и затем выделяют огибающую амплитудными детекторами (фиг. 5).

Выражения (7) и (8) после детектирования преобразуются следующим образом:

, (9)

, (10)

где - модули коэффициентов отражения вертикально и горизонтально поляризованных ЭМВ; - фазы коэффициентов отражения вертикально и горизонтально поляризованных ЭМВ; угол падения ЭМВ.

Как следует из фиг. 5, график огибающей амплитуды разностного канала полностью повторяет изменения модуля коэффициента отражения вертикально поляризованной ЭМВ и имеет однозначное, равное нулю, значение амплитуды при угле Брюстера. Определение нулевого значения амплитуды или нахождение производной от полученной зависимости, таким образом, позволяет определить угол Брюстера. Точность полученных результатов определяется шагом изменения управляющего коэффициента усиления и способом нахождения экстремума и может достигать 0,1 градуса.

Один из вариантов технического решения, обеспечивающего определение момента перехода разностного сигнала через нулевое значение, заключается в дополнительной обработке полученных видеосигналов с помощью суммирующей и вычитающей схем [4], например, усилителя постоянного тока на операционных усилителях. Для этого формируют суммарный и разностный видеосигналы, которые подают на формирователь отношения суммарного и разностного видеосигналов, вид выходного напряжения которого показан на фиг. 6.

Значения измеряемых диэлектрических характеристик исследуемого диэлектрика определяются перерасчетом значения коэффициента усиления в угол Брюстера или с использованием известных формул, связывающих угол Брюстера с относительной диэлектрической проницаемостью.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения (техническим результатом) является повышение точности измерений диэлектрической проницаемости плоскослоистых диэлектриков естественного происхождения за счет значительного подавления посредством суммарно-разностной обработки амплитуды прямого сигнала (снижение доли прямого сигнала) и электромагнитных помех в интерференционном сигнале, принимаемом приемной антенной бистатической радиолокационной системы.

Цель (указанный технический результат) достигается тем, что для дистанционного измерения диэлектрической проницаемости плоскослоистого диэлектрика с потерями по команде наземной станции управления размещают БПЛА с передающим и приемным оборудованием над исследуемой поверхностью и затем перемещают таким образом, чтобы угол падения радиолокационного луча последовательно изменялся от 45 до 89 градусов с ошибкой установки не более 1 градуса (фиг. 7), облучают с позиции передатчика земную поверхность радиоволнами с вертикальной и горизонтальной поляризациями одной частоты, принимают на приемной позиции интерференционные сигналы с горизонтальной и вертикальной поляризациями, представляющие собой сумму радиосигналов (прямо проходящего от радиопередающего модуля к радиоприемному модулю, отраженного от границы «воздух-поверхность» и проходящего ниже границы раздела «воздух-поверхность»), формируют суммарный и разностный сигналы, например, с помощью суммарно-разностного моста, разностный сигнал усиливают в линейном усилителе с переменным коэффициентом усиления, изменяющимся от минимального до максимального значения для каждого варианта угла падения (фиг. 8), усиливают полученный разностный сигнал и сигнал суммарного канала усилителями с логарифмической амплитудной характеристикой, с помощью суммирующего и вычитающего устройств формируют их сумму и разность (фиг. 4), которые детектируют амплитудными детекторами (фиг. 5), по равенству нулю огибающей разностного сигнала определяют угол Брюстера, для чего полученные огибающие сигналов подают на вычитающее и суммирующее устройства видеосигналов, формируют отношения суммарного и разностного видеосигналов, определяют момент возникновения пика напряжения (фиг. 6), преобразуют напряжение в цифровой код, фиксируют угол падения, при котором наблюдается пик напряжения, принимают данный угол падения за угол Брюстера, вычисляют относительную диэлектрическую проницаемость по формуле ε=(tgj_B)² или посредством перерасчета значения коэффициента усиления линейного усилителя в момент возникновения пика напряжения с использованием семейства графиков, связывающих значение коэффициента усиления с относительной диэлектрической проницаемостью и удельной проводимостью диэлектриков (фиг. 8).

При этом (фиг. 9) первый выход передатчика (3) БПЛА1 соединяют с антенной (4) с горизонтальной поляризацией зондирующего радиосигнала, а второй выход передатчика (3) соединяют с антенной (5) с вертикальной поляризацией, первый выход цифрового вычислителя (1) соединяют с входом передатчика (3), через данный вход осуществляется синхронизация зондирующих радиосигналов с пространственным положением БПЛА1, а первый вход цифрового вычислителя (1) соединяют с выходом измерителя пространственных координат (2), например, оборудования спутниковой навигации, откуда поступает информация о пространственном положении БПЛА1, второй вход и второй выход цифрового вычислителя (1) соединяют соответственно с выходом и входом аппаратуры обмена данными с наземной стацией управления (6) БПЛА1.

Антенна (7) БПЛА2 соединена с первым входом суммарно-разностного устройства (9), а выход антенны (8) БПЛА2 соединен со вторым входом суммарно-разностного устройства (9). С первого выхода суммарно-разностного устройства (9) сигнал поступает на первый вход линейного усилителя (10) с переменным коэффициентом усиления, на второй вход которого поступает код, пропорциональный величине текущего значения коэффициента усиления с первого выхода цифрового вычислителя (21). Со второго выхода суммарно-разностного устройства (9) суммарный сигнал поступает на вход логарифмического усилителя (11). Вход логарифмического усилителя разностного канала (12) соединен с выходом линейного усилителя (10) с переменным коэффициентом усиления. Выход логарифмического усилителя суммарного канала (11) соединен с первыми входами суммирующего (14) и вычитающего (13) устройств, а выход логарифмического усилителя разностного канала (12) соединен со вторыми входами суммирующего (14) и вычитающего (13) устройств, к выходам которых подключены соответственно первый (15) и второй (16) амплитудные детекторы. Выход первого амплитудного детектора (15) соединен со вторыми входами суммирующего (17) и вычитающего (18) устройств видеосигналов, а к их первым входам подключен выход второго амплитудного детектора (16). Выход суммирующего устройства видеосигналов (17) соединен с входом усилителя постоянного тока (19), выход которого соединен с вторым входом формирователя отношения видеосигналов (20). Выход вычитающего устройства видеосигналов (18) соединен с первым входом формирователя отношения видеосигналов (20). Выход формирователя отношения видеосигналов (20) соединен с первым входом цифрового вычислителя (21) (например, входом АЦП микроконтроллера). Второй вход цифрового вычислителя (21) соединен с выходом измерителя пространственных координат (22). Третий вход и второй выход цифрового вычислителя (21) соединен соответственно с входом и выходом аппаратуры обмена данными с наземной стацией управления (23).

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано влияние коэффициента ослабления прямой волны на изменение фазового сдвига между интерференционными волнами с вертикальной и горизонтальной поляризациями.

На фиг. 2 показан пример возникновения нескольких локальных максимумов напряжения, возникающих в разностном канале.

На фиг. 3 представлены графики комплексных амплитуд , на выходе логарифмических усилителей.

На фиг. 4 показаны напряжения на выходах суммирующего и вычитающего устройств.

На фиг. 5 показаны результаты детектирования сигналов с выхода суммирующего и вычитающего устройств.

На фиг. 6 показан пик напряжения на выходе формирователя отношения суммарного и разностного видеосигналов, соответствующий углу Брюстера.

На фиг. 7 показаны возможные варианты осуществления маневров БПЛА с размещенным оборудованием устройства дистанционного измерения диэлектрической проницаемости для создания различных углов падения (например, за счет одновременного увеличения высоты полета находящихся на постоянном удалении друг от друга БПЛА или при горизонтальном перемещении БПЛА с приемным оборудованием относительно БПЛА с передатчиком при их нахождении на одной высоте полета).

На фиг. 8 показано семейство графиков, полученных путем математического моделирования, связывающих значение коэффициента усиления с относительной диэлектрической проницаемостью (от 3 до 50) при различных значениях удельной проводимости (от 0.005 до 0.5 См/м) диэлектриков.

На фиг. 9 представлена структурная схема устройства дистанционного измерения диэлектрической проницаемости плоскослоистых диэлектриков естественного происхождения с суммарно-разностной обработкой интерференционных сигналов.

Работа устройства

Два БПЛА, на первом из которых размещен передатчик с передающими антеннами вертикальной и горизонтальной поляризации, а на втором - приемные антенны вертикальной и горизонтальной поляризации и приемно-обрабатывающее оборудование перемещают над исследуемой поверхностью таким образом, чтобы угол визирования на точку отражения (точно посередине линии соединяющей проекции БПЛА на земную поверхность при одинаковой высоте полета) изменялся от 45 до 89 градусов, облучают с позиции передатчика земную поверхность радиоволнами одинаковой частоты для обеих поляризаций, принимают на приемной позиции интерференционные сигналы горизонтальной и вертикальной поляризации, пропорциональные геометрической сумме прямо проходящей от радиопередающих антенн к радиоприемным антеннам радиоволны, отраженной от границы «воздух-поверхность» радиоволны и радиоволны, проходящей ниже границы раздела «воздух-поверхность» и отраженной от внутренних слоев диэлектрика (подповерхностной), формируют суммарный и разностный сигналы, например, на суммарно-разностном мосту, разностный сигнал усиливают в усилителе с переменным коэффициентом усиления, изменяющимся от минимального до максимального значения для каждого варианта угла падения, усиливают полученный разностный сигнал и сигнал суммарного канала усилителями с логарифмической характеристикой коэффициента усиления, формируют суммарный и разностный сигналы, например, с помощью суммарно-разностного моста, разностный сигнал усиливают в усилителе с переменным коэффициентом усиления, изменяющимся от минимального до максимального значения для каждого варианта угла падения, усиливают полученный разностный сигнал и сигнал суммарного канала усилителями с логарифмической амплитудной характеристикой, с помощью суммирующего и вычитающего устройств формируют их сумму и разность, выделяют огибающие сигналов амплитудными детекторами, и по равенству нулю огибающей разностного сигнала определяют угол Брюстера. Для этого полученные огибающие сигналов подают на вычитающее и суммирующее устройства видеосигналов, формируют отношения суммарного и разностного видеосигналов, определяют момент возникновения пика напряжения, преобразуют напряжение в цифровой код, фиксируют угол падения при котором наблюдается пик напряжения, принимают данный угол падения за угол Брюстера, вычисляют относительную диэлектрическую проницаемость по формуле ε=(tgj_B)² или посредством перерасчета значения коэффициента усиления линейного усилителя в момент возникновения пика с использованием семейства графиков, связывающих значение коэффициента усиления с относительной диэлектрической проницаемостью и удельной проводимостью диэлектриков.

Источники информации:

1. Патент №2613810 C1 Российская Федерация, МПК G01R 27/00. Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в СВЧ диапазоне: №2015142390: заявл. 06.10.2015: опубл. 21.03.2017 / Г.Г. Валеев.

2. Патент №2804381 C1 Российская Федерация, МПК G01N 27/02, G01N 22/04. Устройство дистанционного измерения влажности плоскослоистых диэлектриков с потерями: №2023104573: заявл. 01.03.2023: опубл. 28.09.2023 / Г.И. Линец, А.В. Баженов, Н.В. Гривенная [и др.]; заявитель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет".

3. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970. Пер.с англ. (в четырех томах) под общей ред. К.Н. Трофимова. Том. 4. Радиолокационные станции и системы. Под ред. М.М. Вейсбена, М., «Сов.радио», 1978, 376 с.

4. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М., изд-во «Советское радио», 1970, 392 с.

5. Дудник П.И., Чересов Ю.И. Авиационные радиолокационные устройства. Изд. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1986, 496 с.

Изобретение относится к области дистанционного измерения диэлектрической проницаемости участков земной поверхности, представляющих собой плоскослоистый диэлектрик естественного происхождения с потерями (грунты, почвы сельскохозяйственного назначения, снежный покров, лед, травянистая растительность и т.д.) на основе сравнения фаз интерференционных электромагнитных волн (ЭМВ) с вертикальной и горизонтальной поляризациями. Технический результат: повышение точности измерений. Сущность: на первом беспилотном летающем аппарате (БПЛА) размещены передатчик, цифровой вычислитель, измеритель пространственных координат, аппаратура обмена данными с наземной стацией управления и две антенны. На втором БПЛА размещены приемное оборудование, включающее две антенны, суммарно-разностный мост, линейный усилитель с переменным коэффициентом усиления разностного сигнала, два логарифмических усилителя, вычитающее и суммирующее устройства, два амплитудных детектора, суммирующее и вычитающее устройства видеосигналов, формирователь отношения видеосигналов, цифровой вычислитель, измеритель пространственных координат и аппаратура обмена данными с наземной стацией управления. 9 ил.

Устройство для дистанционного измерения диэлектрической проницаемости плоскослоистых диэлектриков естественного происхождения с суммарно-разностной обработкой интерференционных сигналов, состоящее из передатчика, цифрового вычислителя, измерителя пространственных координат, аппаратуры обмена данными с наземной стацией управления и двух антенн, размещенных на первом БПЛА1, приемного оборудования, включающего две антенны, суммарно-разностный мост, линейный усилитель с переменным коэффициентом усиления разностного сигнала, два логарифмических усилителя, вычитающее и суммирующее устройства, два амплитудных детектора, суммирующее и вычитающее устройства видеосигналов, формирователь отношения видеосигналов, цифровой вычислитель, измеритель пространственных координат и аппаратура обмена данными с наземной стацией управления, размещенные на втором БПЛА, при этом первый выход передатчика БПЛА1 соединен с антенной с горизонтальной поляризацией зондирующего радиосигнала, а второй выход передатчика соединен с антенной с вертикальной поляризацией, первый выход цифрового вычислителя соединен с входом передатчика, через данный вход осуществляется синхронизация зондирующих радиосигналов с пространственным положением БПЛА1, а первый вход цифрового вычислителя соединен с выходом измерителя пространственных координат, откуда поступает информация о пространственном положении БПЛА1, второй вход и второй выход цифрового вычислителя соединены с выходом и входом аппаратуры обмена данными с наземной стацией управления БПЛА1, антенна с горизонтальной поляризацией зондирующего радиосигнала БПЛА2 соединена с первым входом суммарно-разностного устройства, а выход антенны с вертикальной поляризацией зондирующего радиосигнала БПЛА2 соединен со вторым входом суммарно-разностного устройства, с первого выхода суммарно-разностного устройства сигнал поступает на первый вход линейного усилителя с переменным коэффициентом усиления, на второй вход которого поступает код, пропорциональный величине текущего значения коэффициента усиления с первого выхода цифрового вычислителя, со второго выхода суммарно-разностного устройства суммарный сигнал поступает на вход логарифмического усилителя суммарного канала, вход логарифмического усилителя разностного канала соединен с выходом линейного усилителя с переменным коэффициентом усиления, выход логарифмического усилителя суммарного канала соединен с первыми входами суммирующего и вычитающего устройств, а выход логарифмического усилителя разностного канала соединен со вторыми входами суммирующего и вычитающего устройств, к выходам которых подключены соответственно первый и второй амплитудные детекторы, выход первого амплитудного детектора соединен со вторыми входами суммирующего и вычитающего устройств видеосигналов, а к их первым входам подключен выход второго амплитудного детектора, выход суммирующего устройства видеосигналов соединен с входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с вторым входом формирователя отношения видеосигналов, выход вычитающего устройства видеосигналов соединен с первым входом формирователя отношения видеосигналов, выход формирователя отношения видеосигналов соединен с первым входом цифрового вычислителя, второй вход цифрового вычислителя соединен с выходом измерителя пространственных координат, третий вход и второй выход цифрового вычислителя соединен соответственно с входом и выходом аппаратуры обмена данными с наземной стацией управления.