Методы оптимизации энергетического потенциала радиотехнических приборов подповерхностного зондирования

Актуальность темы

Радиотехнический прибор подповерхностного зондирования (РППЗ) — это портативный геофизический прибор, предназначенный для обнаружения как металлических, так и не металлических объектов в различных средах. Исследуемой средой может быть земля, вода, стены зданий и т. п. Для РППЗ характерна универсальность, позволяющая использовать данный класс приборов в геологии, транспортном строительстве, промышленном и гражданском строительстве, экологии, археологии, оборонной промышленности и т. д.

Первоначально РППЗ применялись в чисто научных целях, например, при измерениях толщины материкового льда в Гренландии и Антарктиде. В последующие годы широкое развитие получили работы по созданию РППЗ в интересах геологов, строителей, энергетиков, газовиков и других отраслей хозяйства.

За последние 10.15 лет интерес к использованию РППЗ находится в стадии постоянного бурного роста. Если раньше РППЗ были посвящены отдельные редкие публикации в научных журналах, то теперь целые разделы конференций различных отечественных и международных геофизических и инженерно-геофизических обществ посвящены подповерхностному зондированию. К настоящему времени прошло уже двенадцать международных конференций, посвящённых только РППЗ, при этом охватывался практически весь спектр вопросов по данной тематике: сверхширокополосные антенныаппаратная реализацияпрограммное обеспечениеобработка сигналов и интерпретациягеофизические исследованиядиагностика дорожного покрытия, строительных конструкций, коммуникаций и т. д.

На сегодняшний день развитие РППЗ происходит в следующих основных направлениях: разработка новых радиотехнических устройств формирования, приема и обработки сигнала, направленных на уменьшение шумов, увеличение производительности и повышение стабильности работы РППЗ, в том числе разработка приемных устройств, работающих в реальном масштабе времениразработка методов расчета, анализа и оптимизации компактных сверхширокополосных (СШП) антеннсоздание метрологического обеспечения для измерения характеристик СШП антенн, отдельных узлов и РППЗ в целомразработка многоканальных РППЗ, существенно увеличивающих производительность работы и обеспечивающих получение трехмерных изображенийсовершенствование методов зондирования и обработки полученных результатов, направленных на увеличение точности измерения глубины зондированияразработка методов, алгоритмов и программного обеспечения решения прямых и обратных задач СШП зондированияразработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для автоматизированной процедуры идентификации подповерхностных объектов;

Между тем, несмотря на существенные достижения в исследовании и разработке аппаратной части РППЗ, проблема далека от завершения. В частности, не найден приемлемый баланс между энергетическим потенциалом РППЗ и потребляемой мощностью, нет полной ясности в оценке зависимости достижимой глубины зондирования от излучаемой мощности, отсутствуют методы измерения и анализа дрожания фазы синхронизирующих сигналов (джиттер). Поэтому исследования, направленные на оптимизацию энергетического потенциала РППЗ, открывают новые возможности в области разработки и применения РППЗ. В связи с этим исследуемые в работе задачи являются актуальными.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка новых методов измерения и анализа основных технических характеристик РППЗ, направленных на оптимизацию энергетического потенциала РППЗ.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать зависимость глубины зондирования от амплитуды импульса возбуждения передающей антенны;

2. Определить оптимальный диапазон амплитуд импульса возбуждения передающей антенны;

3. Проанализировать основные особенности дрожания фазы синхронизирующих сигналов в РППЗ;

4. Сформулировать требования к допустимой величине дрожания фазы синхронизирующих сигналов с учетом особенностей РППЗ;

5. Разработать метод измерения дрожания фазы синхронизирующих сигналов в РППЗ и исследовать его точность;

6. Разработать методы анализа дрожания фазы синхронизирующих сигналов в РППЗ.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы статистической обработки, спектрального анализа, математического моделирования, математического анализа, методы объектно-ориентированного программирования, натурное моделирование и эксперимент. Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Систематизированы данные о зависимости глубины зондирования РППЗ от величины удельного затухания в среде. Впервые установлен характер зависимости глубины зондирования от амплитуды импульса возбуждения передающей антенны.

2. Впервые определен оптимальный диапазон амплитуд импульса возбуждения передающей антенны.

3. Рассчитана максимальная глубина зондирования различными типами антенных блоков РППЗ для различных модельных сред.

4. Исследованы причины возникновения дрожания фазы синхронизирующих сигналов (джиттер) в РППЗ. Проанализированы основные отличия джиттера в РППЗ от джиттера в системах передачи данных и системах с АЦП-преобразованием. Показано, что из-за этих отличий стандартные методы измерения джиттера для РППЗ неприменимы.

5. Впервые определена допустимая величина дрожания фазы синхронизирующих сигналов в РППЗ.

6. Предложен метод измерения джиттера в РППЗ, исследована точность метода.

7. Впервые предложены эффективные методы анализа джиттера в РППЗ, позволяющие определять его статистические параметры, а также выявить наличие детерминированной составляющей в суммарном джиггере.

8. Разработана математическая модель джиттера, на которой была подтверждена корректность методов измерения и анализа джиттера.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований позволяют сформировать технический облик РППЗ на новых аппаратных и программных технологиях, обосновать технические требования для его отдельных узлов. Предложенные методы измерения и анализа основных характеристик РППЗ могут с успехом использоваться на любом этапе производства РППЗ — начиная от этапа разработки и заканчивая этапом сдачи ОТК.

Предложенные методы измерения и анализа джиттера можно использовать не только в РППЗ, но и в любой системе, где требуется измерять и анализировать периодические сигналы.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Научные и практические результаты работы использованы, в процессе выполнения ОКР по теме «Создание портативного радиотехнического прибора дистанционного зондирования сыпучих, навалочных и гомогенных грузов», шифр «Зонд-М», заказчик — Государственный таможенный комитет России. Разработанный в рамках ОКР РППЗ «Зонд-М» является штатным прибором контроля в таможенных органах РФ.

2. Основные результаты диссертационной работы использованы и внедрены при разработке и контроле характеристик серийно выпускаемых антенных блоков георадара «Око-2» производства ООО «Логические Системы» и при разработке программы GeoScan32, которая входит в комплект поставки серийного георадара «Око-2».

Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований, использованием различных аналитических способов оценки полученных результатов, апробацией предложенных методик на примерах, совпадением результатов теоретического анализа, численного математического моделирования на тестовых объектах и натурного эксперимента на серийном РППЗ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на следующих конференциях: Третьей международной научно-практической конференции «Георадар — 2002», Москва, 28 февраля — 2 марта 2002 гВторой всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», Муром, 2006; Четвертой международной научно-практической конференции «Георадар — 2004», Москва, 29 марта — 2 апреля 2004гМеждународной научно-практической конференции «Инженерная геофизика», Геленджик, 2005 гВторой международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика», Геленджик, 2006 гТретьей международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика», Геленджик, 2007 гXXVI всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред», Санкт-Петербург, 2009 г.

Публикации. По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 17 печатных работ, из них 9 научных статей (2 статьи в коллективных монографиях, 4 статьи в научных журналах, входящих в список ВАК), 7 тезисов докладов, получен один патент.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для значений удельного затухания, характерных для реальных сред, достигнутые к настоящему времени глубины зондирования по существу являются предельными, на практике возможно только их незначительное увеличение (до 20.30%). Существенное увеличение глубины зондирования требует мощности излучения в десятки мегаватт и практически невозможно.

2. Оптимальный диапазон амплитуд импульса возбуждения передающей антенны лежит в интервале 100.800 В. Дальнейшее увеличение амплитуды малоэффективно из-за экспоненциального увеличения потребляемой мощности, конструктивных и технологических ограничений на передающее устройство, роста габаритов и стоимости РППЗ.

3. Допустимая величина дрожания фазы (джиттер) для РППЗ не должна превышать 1,6% от периода колебания центральной частоты спектра РППЗ. Превышение этой величины приводит к ухудшению динамического диапазона РППЗ.

4. Разработанный метод измерения джиттера в РППЗ, основанный на пересчете амплитудной ошибки в вызвавший ее джиттер, позволяет вычислять статистические параметры джиттера с учетом внутренних шумов системы и отличия реального зондирующего сигнала от синусоидального.

5. Разработанные методы анализа джиттера в РППЗ позволяют выявлять наличие детерминированной составляющей в суммарном джиттере.

6. Разработанная математическая модель джиттера в РППЗ позволяет исследовать точность и корректность методов измерения и анализа характеристик джиттера. На математической модели выяснено, что в диапазоне значений джиттера и внешних шумов, характерных для реального РППЗ, ошибка измерения не превышает 1%.

Структура диссертационной работы.

В главе 1 диссертационной работы приведен обзор отечественных и зарубежных публикаций по тематике создания радиотехнического прибора подповерхностного зондирования, обобщен и систематизирован многолетний опыт разработки и создания РППЗ, выявлены нерешенные в этой области вопросы и на основе проведенного анализа поставлены задачи исследования.

В главе 2 исследуется зависимость достижимой глубины зондирования РППЗ от излучаемой мощности и удельного затухания в среде. Численными методами решено уравнение дальности для сред с затуханием. Построены кривые зависимости глубины зондирования РППЗ от амплитуды импульса возбуждения передающей антенны для сред с различным затуханием. Обоснован оптимальный диапазон амплитуд импульса возбуждения передающей антенны.

В главе 3 проанализированы причины возникновения дрожания фазы синхронизирующих сигналов в РППЗ. Предложен метод измерения джиггера, основанный на пересчете амплитудной ошибки на выходе АЦП в вызвавший ее джиттер. Сформулированы требования к допустимому джиггеру в РППЗ, предложены методы анализа джиттера в РППЗ. Разработана математическая модель джиттера, на которой была подтверждена корректность методов измерения и анализа джиттера.

В главе 4 экспериментально подтверждена возможность измерять джиттер в РППЗ, определять его статистические параметры, а также выявлять наличие периодического и долговременного джиттера. Подтверждена обоснованность теоретически выведенной величины допустимого джиттера. Разработан ряд практических методов уменьшения влияния джиттера. На основе предложенных методов уменьшении влияния джиттера разработан и реализован РППЗ, оптимальный по критерию «минимальный джиттер — минимальная потребляемая мощность».

Основные результаты главы 4 опубликованы в [5−7, 30−32, 68, 114, 115,.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация посвящена разработке новых методов измерения и анализа основных технических характеристик РППЗ, направленных на оптимизацию энергетического потенциала РППЗ. В работе проведен анализ отечественных и зарубежных публикаций по данной тематике, проанализированы основные особенности подповерхностной радиолокации, обобщен и систематизирован многолетний опыт разработки и создания РППЗ, отмечены основные тенденции развития РППЗ.

Анализ публикаций показал, что, несмотря на существенные достижения в исследовании и разработке аппаратной части РППЗ, проблема далека от завершения. В частности, не найден приемлемый баланс между энергетическим потенциалом РППЗ и потребляемой мощностью, нет полной ясности в оценке зависимости достижимой глубины зондирования от излучаемой мощности, отсутствуют методы измерения и анализа дрожания фазы синхронизирующих сигналов (джиттер). Поэтому исследования проводились в направлении выбора оптимального напряжения возбуждения передающей антенны РППЗ и повышения технических характеристик РППЗ на основе разработки методов измерения и анализа дрожания фазы в приемниках РППЗ.

Анализ уравнения дальности для сред с затуханием позволил сделать вывод о том, что глубина зондирования в диапазоне рабочих частот современных РППЗ (50 МГц.2 ГГц) зависит в основном от величины удельного затухания в среде и слабо зависит от других факторов (мощности передатчика, чувствительности приемника и т. д.). Так, например, для большинства природных сред увеличении мощности излучения в сотни раз дает прирост глубины зондирования всего на 30.50%. Поэтому основным методом увеличения глубины зондирования РППЗ является уменьшение центральной частоты спектра РППЗ, т.к. с уменьшением частоты уменьшается удельное затухание в среде. Таким образом, с учетом противоречия между глубиной зондирования и разрешающей способностью по глубине, задание одного из этих параметров практически однозначно определяет центральную частоту спектра зондирующего сигнала.

Достигнутые на практике к настоящему времени глубины зондирования по существу являются предельными, на практике возможно только их незначительное увеличение (до 20.30%). Существенное увеличение глубины зондирования требует применения мощности излучения в десятки мегаватт и практически невозможно.

Однако анализ уравнения дальности для сред с затуханием показал, что хотя увеличение излучаемой мощности не приводит к существенному увеличению глубины зондирования, но при этом увеличивается коэффициент различимости, что повышает достоверность выделения сигнала от цели на фоне шумов и помех. Это позволяет более уверенно обнаруживать малоразмерные и слабоконтрастные цели.

Анализ зависимости глубины зондирования от амплитуды импульса возбуждения передающей антенны позволил сделать вывод о том, что оптимальный диапазон амплитуд импульса возбуждения передающей антенны лежит в интервале 100.800 В. Дальнейшее увеличение амплитуды малоэффективно, рост глубины зондирования при этом несоизмерим с ростом потребляемой мощности, увеличением габаритов и стоимости РППЗ.

Все это позволяет сделать вывод о том, что возможности по увеличению глубины зондирования РППЗ с помощью совершенствования его аппаратной части (увеличение мощности передатчика, повышение чувствительности приемника и т. д.) следует считать исчерпанными, а дальнейшие исследования в этом направлении — малоперспективными. Гораздо эффективнее сосредоточить усилия на разработке методов расчета, анализа и оптимизации компактных СШП антенн, увеличении производительности и повышении стабильности работы РППЗ. Так же крайне важным направлением в РППЗ является совершенствование методов обработки полученной информации, разработка алгоритмов для автоматизированной процедуры идентификации подповерхностных объектов, т.к. трудность интерпретации полученных результатов служит основным препятствием на пути развития подповерхностной радиолокации.

Еще одной важной проблемой при разработке РППЗ является дрожание фазы синхронизирующих сигналов (джиттер), которое приводит к появлению дополнительных шумовых разрядов в выходном коде АЦП, аддитивно суммирующихся с собственными шумами системы, что ухудшает общее соотношение сигнал/шум системы и снижает ее динамический диапазон. Применительно к РППЗ ухудшение динамического диапазона системы из-за роста шумов, вызванных джиттером, уменьшает коэффициент различимости, что ухудшает достоверность выделения сигнала от цели на фоне шумов и помех.

В работе проанализирована функциональная схема РППЗ, и показано, что джиттер в РППЗ имеет существенные отличия от джиттера в других системах (передача данных, цифровой звук и т. д.), что не позволяет использовать для измерения и анализа джиттера стандартные приборы и методы, используемые в других системах.

Анализ этих отличий и причин возникновения джиттера в РППЗ позволил предложить метод измерения джиттера, основанный на пересчете амплитудной ошибки на выходе АЦП в вызвавший ее джиттер. При этом амплитудная ошибка представляет из себя разность между амплитудой в каждой трассе и амплитудой в эталонной трассе, полученной усреднением всех принятых трасс.

Важнейшим качеством предложенного метода измерения джиттера является простота — для его реализации не требуется никакого вспомогательного оборудования, все измерения проводятся с использованием самого РППЗ.

Для оценки точности измерения джиттера была разработана математическая модель, включающая в себя генератор идеального сигнала, генератор шума, формирователь моментов выборки, генератор джиттера и АЦП. В качестве модельного сигнала использовался один период синусоидального сигнала. На модели была подтверждена корректность метода измерения джиттера, и выявлено, что в диапазоне значений джиттера и внешних шумов, характерных для реального РППЗ, ошибка измерения джиттера не превышает 1%, что вполне достаточно для корректного измерения джиттера.

Анализ задач, решаемых РППЗ, позволил обосновать величину допустимого джиттера, которая не должен превышать 1,6% от периода колебания центральной частоты спектра РППЗ.

Были предложены методы анализа джиттера в РППЗ, базирующиеся на хорошо проверенных методах измерения джиттера в системах передачи данных и системах с АЦП — преобразованием. Численное моделирование показало, что предложенные методы анализа дрожания фазы позволяют эффективно проанализировать джиттер в РППЗ, вычислить его статистические параметры, а также выявить наличие периодического и долговременного джиттера.

Теоретически разработанные методы измерения и анализа джиттера в РППЗ прошли экспериментальную проверку при разработке серийных блоков георадара «Око-2», так и в рамках нескольких НИР, ОКР, проводимых по заказу различных ведомств. В качестве объектов для эксперимента использовались серийные антенные блоки георадара «Око-2» с центральными частотами 400 МГц, 1000 МГц и 1700 МГц.

В ходе экспериментов была разработана методика экспериментального измерения дрожания фазы в приемниках РППЗ. Экспериментальное исследование случайного джиттера проводилось изменением параметров RC-цепочки, включенной в цепь формирования импульса запуска передатчика. Эксперименты с антенным блоком АБ-400 подтвердили возможность с помощью предложенного метода измерять случайный джиттер, а также корректность измерения статистических параметров джиттера.

Для экспериментального моделирования воздействиялинейного и синусоидального джиттера использовался операционный усилитель в режиме суммирования входных сигналов. На один вход усилителя подавался ИЗПД, а на другие входы с генератора специальных сигналов подавались синусоидальный и линейно нарастающий сигналы. Эксперименты с антенным блоком АБ-1000Р показали, что предложенные методы анализа джиттера позволяют эффективно выделять наличие детерминированной составляющей в суммарном джиттере.

Эксперименты с антенным блоком АБ-1700 подтвердили обоснованность теоретически выведенной величины допустимого джиттера путем анализа возможности обнаружения слабого сигнала на фоне сильного при различных значениях джиттера.

В ходе работы над диссертацией был экспериментально исследован серийный РППЗ, у которого в результате ошибки в проектировании был визуально заметный периодический джиттер. Предложенные методы анализа джиттера позволили выявить и устранить источник периодического джиттера. Проведенный эксперимент позволил сделать вывод об эффективности предложенных методов анализа джиттера. Эксперимент показал необходимость комплексного использования предложенных методов измерения и анализа джиттера, тем более что программная реализация всех предложенных методов не представляет особой сложности.

Многолетний опыт, накопленный автором при разработке РППЗ различного назначения, позволил разработать ряд практических методов уменьшения влияния джиттера. В основе этих методов лежит анализ причин возникновения джиттера и разработка мер по устранению или уменьшению влияния этих причин.

Таким образом, эксперименты подтвердили, что предложенные методы позволяют эффективно измерять джиттер, вычислять его статистические параметры, а также выявлять наличие периодического и долговременного джиттера.

Предложенные методы измерения и анализа джиттера ввиду, их простоты могут с успехом использоваться для контроля джиттера на любом этапе производства РППЗ — начиная от этапа разработки и заканчивая этапом сдачи ОТК. Таким образом, предложенные методы измерения и анализа джиттера может помочь эффективно выявить узкие места в аппаратуре и разработать комплекс мер по их устранению.

Предложенные методы измерения и анализа джиттера можно использовать для измерения джиттера не только в РППЗ, но и в любой системе, где требуется измерять дрожание фазы периодического сигнала.

На основе предложенных методов уменьшении влияния джиттера разработан и реализован РППЗ «Зонд-М», оптимальный по критерию «минимальный джиттер — минимальная потребляемая мощность».