Применение дифракционного метода суммирования в геолокации

ПРИМЕНЕНИЕ ДИФРАКЦИОННОГО МЕТОДА СУММИРОВАНИЯ В ГЕОЛОКАЦИИ

 

по основной образовательной программе подготовки бакалавров

Направление подготовки 03.03.03 – Радиофизика

 

Микутский Евгений Александрович

 

Руководитель ВКР

к. физ.-мат. наук, доцент

____________А.В. Клоков

«_____» июня 2017 г.

 

 

Автор работы

студент группы № 731

_____________Е.А. Микутский

Томск-2017

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НИ ТГУ)

Радиофизический факультет

Кафедра радиофизики (КРФ)

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Руководитель ООП

д-р физ.-мат. наук, профессор

______________ В.П. Гермогенов

«____» _________2016 г.

 

 

ЗАДАНИЕ

по подготовке ВКР бакалавра

студенту Микутскому Евгению Александровичу группы № 731

 

 

1. Тема ВКР: Применение дифракционного метода суммирования в геолокации.

2. Срок сдачи студентом выполненной ВКР:

а) на кафедре 12.06.2017,

б) в ГЭК 16.06.2017

3. Краткое содержание работы:

Работа направлена на подтверждение возможности использования георадара для изучения толщины снега и льда на поверхностях рек, озер и болот, а также рельефа их дна.

 

4. Календарный график выполнения ВКР:

 

а) изучение литературы по теме ВКР	19.09.2016–15.12-2016
б) освоение практических методов решения обратных задач	16.10.2016–15.12-2016
в) проведение экспериментов	13.02.2017–15.03-2017
г) обработка результатов и написание ВКР	16.04.2017–01.06-2017
д) подготовка презентации работы	02.06.2017–12.06.2017

 

5. Дата выдачи задания «____» ______________2016 г.

 

 

Руководитель ВКР – кандидат физ.-мат. наук, доцент каф.радиофизики	______________	А.В. Клоков
Задание принял к исполнению	______________	Е.А. Микутский

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 4

1 Физические основы метода георадиолокации. 5

1.1 Теоретические основы.. 5

1.2 Моделирование. 8

2 Метод дифракционного суммирования. 12

3 Аппаратура для георадиолокационных исследований. 19

3.1 Принцип действия георадара “ОКО-2”. 19

3.2 Область решения задач при помощи георадара. 21

4 Получение и обработка геолокационных данных. 23

4.1 Определение толщины ледяного покрова. 23

4.2 Поиск локальных объектов. 27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 32

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 33

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, потребность в георадиолокационных исследованиях возрастает с ростом объемов строительства и с расширением круга геоэкологических задач. Благодарятехническому прогрессу иуменьшению стоимости, получили широкое распространение системы подповерхностного зондирования, т.е. георадары.Этисистемыпозволяют проводить неразрушающие подземныеисследования в промышленныхцелях, такихкакпоискпотерянныхлинийсвязи,подземныхвод, контроль состояниятрубводо и газоснабжения, обнаружениямин, поискминеральныхресурсов, а также для археологических и историческихцелей, т. е.изучение археологическихслоевЗемли, поискразличного родаартефактов ит.д.В связи сэтимвстает вопросбыстройикачественной обработкиданных, которыеполученыс помощьюгеорадаров.

Георадиолокационный метод изучения геологической среды нашей страны является технологически новым методом. Реализация перспективных научных идей оказывается возможной только на современном уровне развития технологической основы создания аппаратуры и компьютерной базы для создания систем сбора и обработки информации, несмотря на давние теоретические разработки.

Основным методомобработкиданных, является фокусировка отраженных сигналов.В результатедифракциикаждыйточечныйрассеивательнаходящийся воднородной средеотображаетсяввидегиперболы. В этомслучаеистинное положениерассеивателясоответствуетвершинегиперболы. Фокусировкаперемещаетотражениявих истинныепозиции убирая эффектдифракции, тем самым увеличивая пространственное разрешение ипозволяя получитьизображение.

В обработке данных наиболее широко используется методдифракционного суммирования во временной области.

 

Физические основы метода георадиолокации

Теоретические основы

Прямая задача в общем случае состоит в определении распределения поля излучения заданных источников.

В качестве прямой задачи будем искать поле сосредоточенного источника в свободном пространстве.

Расположим начало декартовой системы координат в середине вибратора и направим ось Zвдоль его оси. Если длина вибратора L, то произведение (электрический момент вибратора) при должно оставаться постоянным. Линейный вибратор при этом превращается в точечный, ток которого можно представить в виде функции:

Поле такого вибратора удобно описывать электрическим векторным потенциалом , связанным с напряженностью поля соотношением:

.

В нашем случае имеет только z-ую компоненту:

,

Функция удовлетворяет уравнению колебаний:

, (1)

, ,

, , (2)

, .

Возбуждаемое таким источником поле, очевидно, будет иметь ту же временную зависимость, так что можно записать:

= .

Тогда:

,

где = .

С точностью до коэффициента функция совпадает с функцией Грина:

=

Итак, функция удовлетворяет уравнению:

(3)

В качестве граничных условий для функции примем, учитывая условия (2), что на бесконечности вместе со своими производными обращается в нуль[1]. Для нахождения функции Грина применим преобразование Фурье по . Обозначим:

.

Преобразование Фурье производной легко вычисляется интегрированием по частям с учетом граничных условий для :

Записывая аналогично результаты преобразования других членов в уравнении (3) и учитывая, что:

,

получим:

.

Отсюда для трансформанты Фурье запишем:

.

Функция Грина G определиться теперь обратным преобразованием Фурье:

. (4)

Выражение (3) является разложением функции Грина по плоским однородным волнам всевозможным длин и направлений. Распространение волн происходит в направлении вектора:

– длина этих волн

– амплитуда

, (5)

где = .

Перейдем к сферической системе координат ,поскольку фиксировано (мы ищем ), отсчет углов удобно вести от направления . Тогда

; ;

.

(здесь сделана замена t=cos )

.

Заменяя во втором интеграле на– ,получим:

Считаем, что Im > 0,предполагая тем самым сколь угодно малое поглощение в среде. Тогда интеграл легко вычисляется с использованием теории вычетов, и для z > 0 получаем:

Эту функцию называют фундаментальным решением уравнения Гельмгольца в пространстве[2]. Таким образом, поле векторного потенциала, возбуждаемое точечным источником, представляет собой сферическую волну, фаза которой:

Re(),

а амплитуда:

.

Моделирование

Используя решение прямой задачи в виде функции Грина, было смоделировано распределение поля от трех точечных рассеивателей. Параметры моделирования сигналов приведены в таблице 1. Положение рассеивателей (2, 3), (4, 2) и (6, 1) метров.

Таблица 1 – Параметры моделирования

Длина трассы по X	10 м
Число точек зондирования вдоль X
Длина трассы по Z	5 м
Число точек зондирования вдоль Z

 

На рисунке 1.1 изображен моделированный сигнал от трех точечных источников в двумерном пространстве. Вершины гипербол указывают на точное расположение этих источников.

 

Рисунок 1.1 – Моделированный сигнал от трёх точечных источников

 

Рисунок 1.2 – Двухмерное изображение смоделированного сигнала

 

Из рисунка 1.2 видно изображение моделированных сигналов с изображением их амплитуд в относительных единицах.

Рисунок 1.3 – Одномерный вид среза сигнала (Х=2)

На рисунке 1.3 изображен срез моделированного сигнала по смещению в точке Х=2. На расстоянии 2.2 м сигналы от двух точечных источников накладываются друг на друга.

Рисунок 1.4 – Одномерный вид среза сигнала (Х=4)
Рисунок 1.5 – Одномерный вид среза сигнала (Х=5)
Рисунок 1.6 – Одномерный вид среза сигнала (Х=6)

На рисунках 1.4, 1.5, 1.6 видно уже 3 источника, на различных срезах.

 

Поиск локальных объектов

Поиск и обнаружение различных объектов является одним из основных направлений среди множества задач, решаемых с помощью георадиолокации. Важным фактором является форма исследуемого объекта, как в разрезе, так и в плане, что в значительной степени влияет на конфигурацию осей синфазности отраженных волн при их отображении на радарограммах. При размерах объектов, сравнимых или немного меньше длинны волны и при наличии уступов, ребер и резких углов на них, на радарограммах образуются характерные оси синфазности дифрагированных волн, которые используются для определения средней скорости распространения электромагнитных волн над точкой дифракции и ееглубины залегания [11]. В настоящее время нет убедительных экспериментальных данных о возможности обнаружения кабелей из различных материалов, разного диаметра, расположенных на различных глубинах и заполненных разными флюидами. В инструкции по использованию георадара”ОКО-2” приводятся данные о возможности определения объектов цилиндрической формы из металла и пластика на глубинах в несколько метров.

Если объекты имеют достаточно большие размеры в плане, то на георадиолокационных профилях кроме осей синфазности дифрагированных волн, которые могут образовываться на их краях, будут выделяться также оси синфазности отраженных от верхней кромки объекта волн. В реальных условиях, вследствие интерференции верхняя кромка зачастую не видна, поэтому основным признаком обнаружения объекта будет наличие дифрагированных волн на его краях [11, 12].

Эксперимент проводился в институте сильноточной электроники. Был специально подготовлен ящик с песком размерами 2 х 1,5 х 1,5 м. С помощью антенного блока АБ-1700 проводились как статические измерения, т.е. геолокатор располагался неподвижно на исследуемой поверхности, так и осуществлялось перемещение вдоль трассы длиной 1 м. В одном случае антенный блок располагался наповерхностипеска, а в другом, на специальной радиопрозрачной подставке (рисунок 4.5).

Ниже представлены фрагменты геолокационных профилей на глубине 0.6 м и 1 м в воздухе и 0.4 м. в песке. Исходные данные представлены на рисунках 4.6,4.7. Здесь по оси абсцисс отложен номер измерения, а по оси ординат – время возвращения локационного сигнала в наносекундах. В дополнение к сбору локационных данных, расстояние в воздухе и песке от антенного блока до кабеля были измерены традиционным способом. Фактическое расстояние определялось по измерительной линейке. Полученные данные были сопоставлены с геолокационными измерениями.

Рисунок 4.5 – Рабочие моменты

На рисунках 4.6-4.7стрелочками отмечены дифракционные гиперболы.

а) глубина 0,6 м	б) глубина 1 м
Рисунок 4.6 – Геолокационный профиль в среде – воздух
Рисунок 4.7– Геолокационный профиль в среде – песок

Обработка и анализ собранных данных осуществлялась методами изложенными в [10].

а) глубина 0.6 м	б) глубина 1 м
Рисунок 4.8– Результат обработки геолокационных данных в среде – воздух
Рисунок 4.9– Результат обработки геолокационных данных в среде – “песок”

Сопоставление геолокационных данных и фактического расстояния показало, что после обработки на радарограммахдифракционные гиперболы сходятся в точку, показывая точное местонахождение объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы показаны теоретические основы метода дифракционного суммирования. Результаты моделирования демонстрируют возможность осуществления фокусировки с использованием данного метода.

В ходе проведения эксперимента были исследованы электрические (диэлектрическая проницаемость) и физические параметры (толщина) снежного и ледового покрова рек. Установлена действительная часть относительной диэлектрической проницаемости исследуемых сред, она составила для снега – 1,14 и для льда – 1,8. С помощью подповерхностного зондирования удалось определить среднюю толщину слоя льда, которая составила 82 см и толщину снежного – 76 см. Так же проведен успешный поиск локальных объектов в средах с разной диэлектрической проницаемостью. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что представленный метод отлично реализуется георадаром “ОКО-2”.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yilmaz, Oz, Doherty, StephenM., editor, 2001, SeismicDataAnalysis: processing, inversion, andinterpretation of seismic data.

2. Козлов E.A., Миграционные преобразования в сейсморазведки. Москва.,1986г.

3. ЗеленковА.В., ЗеленковС.А. Выбор метода миграции для обработки сигналов подповерхностной радиолокации Электроника и электротехника. – Каунас: Технология, 2004. – № 3(52). – С. 41-46.

4. Klokov, A., Sato, M., Comparison between the method of diffraction summations, Proc. of the 123rd SEGJ, 2010, pp. 168-171.Ccskrf

5. Gazdag, J. and Sguazzero, P., 1984, Migration of seismic data by phase shift plus interpolation: Geophysics, 49, 124-131.

6. Якубов В.П., Шипилов С.Э. Обратные задачи радиофизики: учебное пособие / под ред. В.П. Якубова. – Томск: Изд-во НТЛ, 2016. – 164 с.

7. Инструкция по эксплуатации радиотехнического прибора подповерхностного зондирования (георадар) «ОКО-2». – М.: ООО «Логические системы», 2011. – 98 с.

8. Сайт ГУ МЧС России URL:http://39.mchs.gov.ru/document/1357338(дата обращения: 10.03.2017)

9. Сервис "Google Карты" URL: https://www.google.ru/maps/@56.4462698,84.9650263,297m/data=!3m1!1e3 (дата обращения: 10.03.2017)

10. Якубов В.П., Шипилов С.Э., Суханов Д.Я., Клоков А.В. Радиоволновая томография: достижения и перспективы. – Томск: НТЛ, 2014. – 264 с.

11. Владов М.Л., Старовойтов А.В.Введение в георадиолокацию. Учебное пособие – М.: МГУ, 2004. – 153 с.

12. Мониторинг дорожного полотна с применением георадара URL: http://www.v-itc.ru/electrotech/2015/04/pdf/2015-04-16.pdf (дата обращения: 15.05.2017)

ПРИМЕНЕНИЕ ДИФРАКЦИОННОГО МЕТОДА СУММИРОВАНИЯ В ГЕОЛОКАЦИИ

 

по основной образовательной программе подготовки бакалавров

Направление подготовки 03.03.03 – Радиофизика

 

Микутский Евгений Александрович

 

Руководитель ВКР

к. физ.-мат. наук, доцент

____________А.В. Клоков

«_____» июня 2017 г.

 

 

Автор работы

студент группы № 731

_____________Е.А. Микутский

Томск-2017

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НИ ТГУ)

Радиофизический факультет

Кафедра радиофизики (КРФ)

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Руководитель ООП

д-р физ.-мат. наук, профессор

______________ В.П. Гермогенов

«____» _________2016 г.

 

 

ЗАДАНИЕ

по подготовке ВКР бакалавра

студенту Микутскому Евгению Александровичу группы № 731

 

 

1. Тема ВКР: Применение дифракционного метода суммирования в геолокации.

2. Срок сдачи студентом выполненной ВКР:

а) на кафедре 12.06.2017,

б) в ГЭК 16.06.2017

3. Краткое содержание работы:

Работа направлена на подтверждение возможности использования георадара для изучения толщины снега и льда на поверхностях рек, озер и болот, а также рельефа их дна.

 

4. Календарный график выполнения ВКР:

 

а) изучение литературы по теме ВКР	19.09.2016–15.12-2016
б) освоение практических методов решения обратных задач	16.10.2016–15.12-2016
в) проведение экспериментов	13.02.2017–15.03-2017
г) обработка результатов и написание ВКР	16.04.2017–01.06-2017
д) подготовка презентации работы	02.06.2017–12.06.2017

 

5. Дата выдачи задания «____» ______________2016 г.

 

 

Руководитель ВКР – кандидат физ.-мат. наук, доцент каф.радиофизики	______________	А.В. Клоков
Задание принял к исполнению	______________	Е.А. Микутский

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 4

1 Физические основы метода георадиолокации. 5

1.1 Теоретические основы.. 5

1.2 Моделирование. 8

2 Метод дифракционного суммирования. 12

3 Аппаратура для георадиолокационных исследований. 19

3.1 Принцип действия георадара “ОКО-2”. 19

3.2 Область решения задач при помощи георадара. 21

4 Получение и обработка геолокационных данных. 23

4.1 Определение толщины ледяного покрова. 23

4.2 Поиск локальных объектов. 27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 32

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 33

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, потребность в георадиолокационных исследованиях возрастает с ростом объемов строительства и с расширением круга геоэкологических задач. Благодарятехническому прогрессу иуменьшению стоимости, получили широкое распространение системы подповерхностного зондирования, т.е. георадары.Этисистемыпозволяют проводить неразрушающие подземныеисследования в промышленныхцелях, такихкакпоискпотерянныхлинийсвязи,подземныхвод, контроль состояниятрубводо и газоснабжения, обнаружениямин, поискминеральныхресурсов, а также для археологических и историческихцелей, т. е.изучение археологическихслоевЗемли, поискразличного родаартефактов ит.д.В связи сэтимвстает вопросбыстройикачественной обработкиданных, которыеполученыс помощьюгеорадаров.

Георадиолокационный метод изучения геологической среды нашей страны является технологически новым методом. Реализация перспективных научных идей оказывается возможной только на современном уровне развития технологической основы создания аппаратуры и компьютерной базы для создания систем сбора и обработки информации, несмотря на давние теоретические разработки.

Основным методомобработкиданных, является фокусировка отраженных сигналов.В результатедифракциикаждыйточечныйрассеивательнаходящийся воднородной средеотображаетсяввидегиперболы. В этомслучаеистинное положениерассеивателясоответствуетвершинегиперболы. Фокусировкаперемещаетотражениявих истинныепозиции убирая эффектдифракции, тем самым увеличивая пространственное разрешение ипозволяя получитьизображение.

В обработке данных наиболее широко используется методдифракционного суммирования во временной области.