الاستشعار الراداري والقرار. طريقة رادارية لدراسة رواسب الخث والسابروبيل. الطرق التحليلية للغاز لرصد عينات الهواء والمركبات المعتمدة عليها
![الاستشعار الراداري والقرار. طريقة رادارية لدراسة رواسب الخث والسابروبيل. الطرق التحليلية للغاز لرصد عينات الهواء والمركبات المعتمدة عليها](https://i2.wp.com/physbook.ru/images/1/1e/Img_Kvant-2002-03-014.jpg)
Livshits M. دقة أدوات القياس // الكم. - 2002. - العدد 3. - ص35-36.
باتفاق خاص مع هيئة تحرير ومحرري مجلة "كفانت"
يعلم الجميع أن هناك حاجة إلى مجهر، على سبيل المثال، لحساب عدد الميكروبات على خشبة المسرح، وتلسكوب - لحساب النجوم في السماء، ورادار - لتحديد عدد الطائرات في السماء والمسافات إلى هم.
في هذه المقالة سنتحدث عن أهم خاصية للأجهزة المادية - دقة وضوحها، أي. حجم أصغر تفاصيل كائنات القياس المميزة أثناء عملية القياس. إن الدقة هي السمة الرئيسية لجودة جهاز القياس المستخدم (حتى أكثر أهمية من دقة القياسات). على سبيل المثال، جودتها لا تعتمد فقط على تكبير المجهر. إذا لم يوفر جهاز المجهر تصورا منفصلا لتفاصيل صغيرة بما فيه الكفاية للكائن، فلن تتحسن الصورة الناتجة حتى مع زيادة كبيرة في التكبير. سنحصل فقط على صورة أكبر ولكن غامضة بنفس القدر للكائن المعني. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن تحديد أخطاء القياس نفسها إلا بعد حلها، أي. بعد اختيار هذا الجزء من الكائن من الآخرين.
سنوضح ما هي الخصائص الفيزيائية لأجهزة القياس عن بعد (عدم الاتصال) التي تؤثر بشكل مباشر على الدقة التي يتم الحصول عليها عند استخدامها وما هي الطرق التي يمكن استخدامها لتحسين دقة هذه الأجهزة.
أولا، دعونا نعطي تقييما كميا. يمكن التعرف على التفاصيل الدقيقة للأشياء بواسطة جهاز معين أثناء عملية القياس، وكلما كانت دقة الصورة أفضل (أعلى). بالنسبة للأدوات المختلفة، هناك تعريفات مختلفة وصيغ مختلفة لقياس قوة التحليل اعتمادًا على الأغراض والأساليب: على سبيل المثال، ما إذا كانت دقة تفاصيل جسم ما (المجهر، المناظير، التلسكوب) أو الخطوط الفردية في طيف الانبعاث (المنشور) ، يتم تقييم صريف الحيود والأجهزة الطيفية الأخرى) ، وما إذا كان يتم استخدام استقلالية المراقبة وقياس إحداثيات العديد من الأهداف (الرادار، السونار، محدد الموقع بالصدى الحيواني)، وما إلى ذلك. ومع ذلك، فإن الأساس المقبول عمومًا للتقييم الكمي للدقة هو معيار رايلي، الذي تم وضعه في الأصل لحالة المراقبة المنفصلة لمصدرين ضوئيين نقطيين (دقة النجوم المزدوجة). ويتم تعميمه، الذي يسمح باستخدام هذا المعيار في مجموعة متنوعة من الحالات، على النحو التالي.
دع تأثير الإدخال على جهاز القياس يتكون من ذروتين مفصولتين بفاصل Δ س; في هذه الحالة، عند إخراج الجهاز من كل قمة يتم الحصول على "استجابة" في شكل انتشار أكثر Xموجة ذات عرض محدود، تميز خصائص الجهاز وتسمى وظيفة الجهاز (الشكل 1). ثم يُطلق على دقة رايلي اسم الفاصل الزمني الأدنى Δ سدقيقة بين تأثيرات الذروتين، حيث لا تزال الاستجابة الإجمالية على شكل منحنى مزدوج الحدبة (الشكل 2، أ). إذا قمنا بتقليل Δ س، يتم تسطيح الجزء العلوي من الدفقة الإجمالية وتندمج الدفقات في واحدة (الشكل 2، ب).
ما معلمات الموجات المستخدمة في أجهزة الاستشعار عن بعد التي تحدد الدقة؟ وتبين أن هذه المعلمة هي درجة تماسك الموجات (الكلمة اللاتينية "متماسكة" تعني "متصلة").
أولا، دعونا نتذكر تماسك التذبذبات. تسمى التذبذبات متماسكة إذا ظلت اختلافات الطور ونسب اتساع التذبذبات ثابتة طوال وقت المراقبة. في أبسط الحالات، يكون التذبذبان الجيبيان \(~A \cos (\omega t + \alpha)\) و \(~B \cos (\omega t + \beta)\) متماسكين، حيث أ, في, α و β - القيم الثابتة. وبما أن العمليات الموجية تتحدد بالتذبذبات في جميع النقاط في الفضاء التي توجد فيها هذه الموجات، فإن الشرط الضروري لتماسك الموجات هو تماسك التذبذبات التي تحدث عند كل نقطة معينة من الموجة أثناء وقت المراقبة.
التعريف الأكثر عمومية وإيجازًا لعدم تماسك الموجة هو أن حزم الضوء أو الموجات الأخرى ستكون غير متماسكة إذا تغير فرق الطور بين التذبذبات في جميع النقاط في الفضاء حيث تتعايش هذه الموجات بشكل متكرر وغير منتظم خلال وقت المراقبة.
سنحاول الآن إنشاء علاقة بين دقة المقياس ودرجة تماسك الموجة. يمكن القيام بذلك بشكل أكثر وضوحًا باستخدام مثال الرادار - وهي طريقة لتحديد موقع الأشياء باستخدام موجات الراديو.
دعونا نتذكر بإيجاز مبدأ تشغيل محطة الرادار النبضي (الرادار). ويبين الشكل 3 رسمًا تخطيطيًا للرادار. هنا 1 - الارسال، 2 - تبديل الهوائي، 3 - هوائي، 4 - مخطط إشعاع الهوائي، 5 - المتلقي، 6 - مؤشر. يقوم جهاز إرسال الرادار، باستخدام هوائي موجه بشكل ضيق، بإشعاع الفضاء بشكل دوري بقطارات قصيرة المدى من موجات الراديو (ما يسمى بالاستقصاء، أي نبضات "التحقيق"). من خلال تدوير الهوائي (أو طرق أخرى)، يتغير اتجاه إشعاع موجات الراديو، وبالتالي يتم إجراء فحص متسلسل لقطاع أكبر أو أصغر من الفضاء (أو رؤية دائرية). تصل النبضات المنعكسة من أهداف مختلفة (عادة عبر نفس الهوائي) إلى جهاز استقبال الرادار. وفي هذه الحالة، يعتمد تحديد الإحداثيات الزاوية للأهداف على استخدام إشعاع الهوائي وأنماط الاستقبال. تتراوح ديتم إنتاجه عن طريق قياس وقت التأخير رانطلق وصول النبضة المنعكسة من الهدف بالنسبة إلى لحظة انبعاث نبضة التحقيق:
\(~D = \frac(c t_(zap))(2)\) ,
أين ج- سرعة الضوء. يظهر الاثنان في المقام لأن زمن التأخير هو مجموع الوقت الذي تستغرقه نبضة التحقيق للوصول إلى الهدف ونفس الوقت الذي تستغرقه النبضة المنعكسة للوصول إلى الرادار.
الدقة الزاوية للرادار هي أصغر فرق زاوية Δ α بين الاتجاهات عند هدفين يقعان في نفس النطاق، حيث يتم ملاحظة النبضات المنعكسة منهما بشكل منفصل. من السهل أن نرى أن هذا يتوافق مع أبسط حالة من حالات عدم الترابط المكاني: يتم تحديد تلك الأهداف (بالزاوية) التي لا يمكن ضربها في وقت واحد بواسطة إشعاع الرادار "المضيء"، لأن الاتجاهات عليها تختلف باختلاف عرض إشعاع الهوائي النمط (الشكل 4).
دقة مدى الرادار هي أصغر مسافة δ صبين هدفين يقعان في نفس الاتجاه، ويتم ملاحظتهما بشكل منفصل. في ما يسمى بالرادارات الكلاسيكية، تم استخدام قطار موجة جيبية ذو سعة ثابتة كنبضة استقصاء. يتم تفسير ذلك، على وجه الخصوص، من خلال حقيقة أن مثل هذا القطار سهل الإنشاء: يكفي تطبيق الجهد العالي الثابت لفترة وجيزة على مولد عالي التردد (على سبيل المثال، المغنطرون). يؤدي تجانس هيكل القطار إلى أن الموجات المنعكسة من أهداف مختلفة سيكون لها نفس التردد (إذا تحركت نحو الرادار بنفس السرعة أو إذا كان من الممكن إهمال تأثير دوبلر)، ضمن التداخل المتبادل للموجات المنعكسة. النبضات ستكون متماسكة، والأهداف ستكون منفصلة تماما، فلن ينجح ذلك. لن تكون النبضات المنعكسة من هدفين غير متماسكة إلا عندما لا تتطابق في وقت وصولها إلى مستقبل الرادار وبالتالي لا تتداخل على شاشة المؤشر (الشكل 5).
وبالتالي فإن دقة المدى لهذه الرادارات هي
\(~\delta r = \frac(c \tau)(2)\) ,
أين τ - مدة النبض. يمكننا القول أنه في الرادار قيد النظر، يظهر عدم ترابط الإشارات المنعكسة القادمة من أهداف مختلفة في أبسط صوره: كغياب مصادفتها في الزمن.
وكما يتبين من الصيغة الأخيرة، لزيادة دقة النطاق، من الضروري تقليل مدة النبضة τ . ولكن هذا يؤدي حتما إلى التوسع المقابل في نطاق التردد. والحقيقة هي أنه، من ناحية، هناك علاقة أساسية بين المدة τ الإشارة (على سبيل المثال، الجيوب الأنفية المكسورة) والعرض Δ ν طيفها (على مقياس التردد) الذي تتركز فيه طاقة النبض الرئيسية:
\(~\Delta \nu \approx \frac(1)(\tau)\) .
من ناحية أخرى، من الواضح تمامًا أن نطاق اكتشاف الهدف يتم تحديده بواسطة طاقة المسبار، وبالتالي النبض العائد. وهذا يعني أنه عندما يتم تقصير النبضة، يجب زيادة قوة المرسل وفقًا لذلك، وهي ليست مهمة سهلة.
وبحثاً عن مخرج من هذا الوضع، اتخذت الرادارات طريق زيادة عرض نطاق النبضة دون تغيير مدتها: وذلك بالانتقال من البنية الجيبية إلى البنية الداخلية الأكثر تعقيداً لنبضة التحقيق. هذه هي الطريقة التي ظهرت بها نبضات فحص الرادارات ذات التردد الخطي (الزقزقة) (الشكل 6). في هذه الحالة، يتبين أن العلاقة بين مدة الإشارة وعرضها لن تكون صحيحة بالنسبة لمدة النبضة τ imp ، ووقت التماسك τ كوج:
\(~\tau_(kog) \approx \frac(1)(\Delta \nu)\) ، حيث \(~\Delta \nu >> \frac(1)(\tau_(imp))\).
صحيح، لهذا الغرض، يتم إدخال مرشح خاص إضافي في مستقبل الرادار، والذي يتم من خلاله ضغط النبضة المستقبلة لمدة τ ق = τ كوج. الآن سيتم فصل النبضات الموجودة على شاشة الرادار على مسافة أصغر بكثير بين الأهداف مما كان عليه الحال عند استخدام النبضة الجيبية:
\(~\delta r = \frac(c \tau_s)(2)<< \frac{c \tau_{imp}}{2}\) ,
وهذا يؤكد العلاقة التي لا تنفصم بين دقة جهاز القياس عن بعد ودرجة تماسك الموجة: لزيادة (تحسين) دقة العداد، من الضروري تفاقم تماسك الموجات المستخدمة.
ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أن تطور الطبيعة الحية في هذا الاتجاه قد ذهب إلى أبعد من ذلك. على سبيل المثال، إلى جانب الخفافيش، التي تستخدم أجهزة تحديد الموقع بالصدى الخاصة بها أيضًا نبضات فحص الغرد، هناك ما يسمى بالخفافيش "الهمسية" التي تستخدم المزيد من نبضات الضوضاء ذات النطاق العريض، أي. نبضات عالية التردد مضمنة بالضوضاء "البيضاء". فهي تكتشف الأهداف ذات قوى إشعاعية أقل بكثير، مع توفير حماية أفضل لتحديد مواقعها من التداخل، خاصة من التداخل المتبادل الذي يحدث عندما تصطاد مجموعات كبيرة من هذه الخفافيش الحشرات في نفس الوقت.
يتعلق الاختراع بمجال استشعار الرادار باستخدام إشارات نبضية أحادية النطاق فائق العرض (UWB) ويمكن استخدامها عند فحص العديد من الأجسام القريبة، على سبيل المثال طبقات الرصيف الإسفلتي. وتتكون الطريقة من بث نبضة راديوية مسبارية من فص N، واستقبال الإشارة المنعكسة بشكل مستمر، ودمجها N-1 مرات في نافذة زمنية محددة، واكتشاف وتقييم الإشارات من كائنات الدراسة. والنتيجة التقنية المحققة للاختراع هي زيادة دقة دقة استشعار UWB. 6 مريض.
يتعلق الاختراع بمجال استشعار الرادار باستخدام إشارات نبضية ذات نطاق عريض للغاية (UWB) بمدة T ويمكن استخدامها عند فحص عدة أجسام، والمسافة بينها L قابلة للمقارنة بـ сT، حيث c هي سرعة الضوء في الوسط ، أي. في الظروف التي تتداخل فيها الإشارات المنعكسة من عدة أشياء قيد الدراسة مع بعضها البعض. تنشأ هذه المشكلة، على سبيل المثال، عند فحص طبقات التربة تحت السطح، وخاصة أسطح الطرق الإسفلتية متعددة الطبقات.
من المعروف، ص 24، أن أي إشارة S(t) يمكن إرسالها بواسطة هوائي يجب أن تستوفي الشرط: بما في ذلك إشارة سبر رادارية UWB واحدة متعددة الفصوص.
عند استخدام استشعار رادار UWB للعديد من الأجسام البحثية القريبة، تنشأ مشكلة حل الإشارات الواردة من كائن وآخر. وتتفاقم هذه المشكلة بسبب وجود التداخل ومعدات الإرسال والاستقبال غير الكاملة والعديد من العوامل الأخرى.
الطريقة التقليدية للمعالجة المسبقة لإشارة الرادار المنعكسة من كائن الدراسة هي اكتشافها - اختيار وظيفة التردد المنخفض - غلاف السعة (المعقد) لنبض الراديو. عند العمل بإشارات UWB، فإن غلاف الاتساع لإشارة UWB التي تم الحصول عليها باستخدام تحويل هيلبرت لا يعكس دائمًا بشكل صحيح ميزات شكله ص.17. وفي هذه الحالة، لا يتم تحقيق الدقة العالية المحتملة لإشارات UWB.
براءة اختراع معروفة RU 2141674 - طريقة لاستشعار الرادار واسع النطاق، والتي تتمثل في إصدار نبضة بهوائي واحد، واستقبال هذه النبضة بهوائي آخر - هوائي بعيد، يتم تأخير النبضة المستقبلة، وإعادة إشعاعها واستقبالها بواسطة هوائي يقع في موقع الإشعاع الأولي. تسمح هذه الطريقة بفصل الإشارات المستقبلة من الهوائي ومن العناصر الهيكلية المحيطة به في الوقت المناسب. وبهذه الطريقة، يتم حل مشكلة الدقة عن طريق الفصل الزمني للإشارات المنعكسة.
عيب هذه الطريقة هو النطاق المحدود للتطبيق نظرًا لحقيقة أنه نادرًا ما تنشأ إمكانية الفصل الاصطناعي في وقت الإشارات المنعكسة من العديد من الأشياء قيد الدراسة.
الأقرب إلى الطريقة المطالب بها هي أنها تبعث نبضة راديوية مسبار N-lobe، وتستقبل الإشارة المنعكسة بشكل مستمر في نافذة زمنية محددة، وتكشف وتقيم الإشارات من كائنات الدراسة. لحل مشكلة القرار، حدد:
إشارة إرسال مباشرة من المرسل إلى هوائي الاستقبال (عند فحص الفضاء المفتوح)، والتي يتم طرحها من الإشارة المستقبلة أثناء الفحص اللاحق للبيئة؛
إشارة الانعكاس الكلي عند فحص الصفائح المعدنية، والتي تستخدم لمعايرة المجسات اللاحقة.
يتم طرح الإشارة الأمامية من الإشارة الواردة من كائنات البحث. يتم بعد ذلك الكشف عن أقرب استجابة واحدة تلو الأخرى، ومع الأخذ في الاعتبار توهين إشارة الانعكاس الكلي المعروفة، يتم طرحها من الإشارة المستقبلة. وبالتالي، من الممكن نظريًا حل الإشارات المستقبلة.
عيب هذه الطريقة هو الدقة المنخفضة. أولاً، تغير الإشارة التي تمر عبر الوسط طيف التردد، وبالتالي ليس فقط السعة، ولكن أيضًا شكله. ونتيجة لذلك، اتضح أنه من غير المناسب استخدام إشارة الانعكاس الكلي كإشارة معايرة. ثانيًا، الطبيعة التكرارية للمعالجة، والتي يتم فيها اكتشاف كل كائن جديد بناءً على نتائج اكتشاف الكائن السابق، تؤدي إلى تراكم الأخطاء.
المشكلة التي تم حلها عن طريق هذا الاختراع هي زيادة دقة استشعار UWB المنعكس من الأجسام القريبة، وبالتالي الحصول على معلومات أكثر وأفضل جودة من الاستشعار الراداري.
لحل المشكلة المطروحة في طريقة لزيادة دقة استشعار الرادار فائق العرض، والتي تتمثل في إصدار نبضة راديوية مسبار N-lobe، واستقبال الإشارة المنعكسة بشكل مستمر في نافذة زمنية محددة، واكتشاف وتقييم الإشارات من كائنات الدراسة ، ودمج الإشارة المنعكسة في نافذة زمنية مختارة N-1 مرة، واستخدام نتائج التكامل لكشف وتقييم الإشارات من كائنات الدراسة.
هناك اختلاف كبير بين الطريقة المقترحة والنموذج الأولي وهو أنه عند التحقيق باستخدام نبضة راديوية من الفص N، يتم دمج الإشارة المنعكسة في النافذة الزمنية المحددة N-1 مرة.
يستخدم النموذج الأولي عملية طرح الاستجابات المعروفة من الإشارة المستقبلة.
يتيح لك استخدام التكامل المتعدد N-1، وهو طريقة خطية لتحويل الإشارات المستقبلة، تحويل بنيتها الزمنية متعددة الفصوص إلى بنية أحادية الفصوص. يوضح الشكل 1 أن النبضة الراديوية ثلاثية الفصوص بعد مسبار واحد تصبح فصين، وبعد التكامل الثاني - فص واحد. إذا كان من الممكن إطلاق مثل هذه النبضة بواسطة هوائي، فسيتم تبسيط مهمة تحديد الأجسام القريبة إلى حد كبير. إن دمج الإشارة المستقبلة لنظام خطي يعادل دمج إشارة الدخل. وبالتالي، فإن دمج إشارة الخرج يبسط إلى حد كبير دقة الأجسام القريبة.
يتم توضيح الطريقة الابتكارية من خلال المواد الرسومية التالية.
الشكل 1 - نتائج التكامل المتسلسل لإشارة ثلاثية الفصوص.
الشكل 2 - الإشارات الجزئية المنعكسة من ثلاثة أجسام.
الشكل 3 - الإشارة الإجمالية المنعكسة من ثلاثة أجسام.
الشكل 4 هو نتيجة التكامل الفردي للإشارة المنعكسة.
الشكل 5 هو نتيجة التكامل المزدوج للإشارة المنعكسة.
دعونا نفكر في إمكانية تنفيذ الطريقة المقترحة.
بالنسبة للسبر الراداري، يمكن استخدام نبضات راديوية فردية ذات عدد صغير من الفصوص الزمنية N=2-5، على سبيل المثال، نبضة ثلاثية الفصوص S(t)، كما هو موضح في الشكل 1. مثل هذه الإشارات لها طيف UWB. معالجتها ممكنة في التردد أو المجال الزمني. في كلتا الحالتين، من الضروري اكتشاف الإشارات المنعكسة من كائنات الدراسة وتقييم سعتها وقطبيتها وموضعها الزمني والمعلمات الأخرى. وتستخدم مثل هذه السبرات، على سبيل المثال، في دراسة طبقات سطح الطريق. في هذه الحالة، تكون أهداف الدراسة هي حدود طبقات الطلاء، التي تعكس إشارة التحقيق ولها ثوابت عازلة مختلفة ε. اعتمادًا على نسبة ثوابت العزل الكهربائي ε للوسائط، يمكن أن يكون للإشارات المنعكسة أقطاب مختلفة.
إذا كانت كائنات الدراسة (طبقات سطح الطريق) موجودة بالقرب من بعضها البعض، فإن الإشارات المنعكسة تتداخل مع بعضها البعض. ويبين الشكل 2 الإشارات الجزئية S 3i (t)، (i=1، 2، 3)، المنعكسة من ثلاث طبقات مختلفة. كل واحد منهم لديه السعة والشكل الخاص به. الإشارة S 32 (t) لها قطبية عكسية. إن الإشارة الكلية المنعكسة S 3 (t)=S 31 (t)+S 32 (t)+S 33 (t)، الشكل 3، قليلة الفائدة للتحليل. ولحل مشكلة الحل، من الممكن تقليل مدة إشارة التحقيق S(t)، ولكن هذا سيؤدي إلى زيادة غير مبررة في تكاليف التطوير أو إلى عدم التطبيق العملي الفني.
التكامل الفردي للإشارة المنعكسة من الأشياء الشكل 4 لا يحل مشكلة الحل، بل إعادة التكامل
يتيح لنا الشكل 5 تقدير الموقع الزمني للإشارات المنعكسة وقطبيتها وسعةها بدقة إلى حد ما. يمكن الحصول على هذا التقييم بصريًا أو باستخدام الكمبيوتر.
لاحظ أنه بمساعدة التحويل الخطي المقترح، من الممكن استعادة نسبة اتساع الإشارات الجزئية والمسافة بينها حتى في حالة تأخر الإشارات بالنسبة لبعضها البعض لفترة أقل من مدة الإشارة. فترة التوافقي المركزي لطيف الإشارة، أي. في ظروف تحقيق دقة النطاق المحتملة.
وبالتالي، فإن الطريقة المقترحة تسمح لاستشعار رادار UWB باكتشاف كائنات الدراسة، مما يقترب من الدقة المحتملة.
دعونا نفكر في إمكانية التنفيذ العملي للطريقة المقترحة. ويبين الشكل 6 رسماً تخطيطياً لجهاز ينفذ الطريقة المقترحة، حيث:
1. مولد إشارة UWB.
2. هوائي الإرسال.
3. استقبال الهوائي.
4. وسط متعدد الطبقات قيد الدراسة.
5. جهاز الاستقبال الاصطرابي.
6. خط تأخير متحكم فيه.
7. المحول التناظري إلى الرقمي (ADC).
8. الكمبيوتر.
تعمل الإشارة الصادرة من الكمبيوتر 8 على تشغيل مولد إشارة UWB 1، الذي ينبعث من الهوائي 2. وتدخل إشارة UWB المنعكسة من الوسط متعدد الطبقات 4 قيد الدراسة إلى الهوائي 3. ويطلق خط التأخير 6، الذي يتحكم فيه الكمبيوتر 8، جهاز الاستقبال الاصطرابي 5، الذي يختار سعة لحظية واحدة للإشارة المنعكسة. يقوم المحول التناظري إلى الرقمي 7 بتحويل هذه القيمة إلى رمز يقرأه الكمبيوتر 8. يمكن أن يصل تردد بدء تشغيل المولد 1 إلى عشرات الكيلو هرتز، وهو ما لا يتطلب سرعة ADC 7 عالية. تقوم قيمة التأخير 6 بتعيين نافذة الاستقبال و موقع النقطة المرجعية فيه. من خلال تكرار القياسات عدة مرات، يمكنك متوسط قيم هذه العينة من الإشارة المنعكسة، ومن خلال تغيير قيمة التأخير، يمكنك الحصول على التنفيذ الكامل للإشارة المنعكسة في النافذة الزمنية المحددة بدقة لمقياس الوقت تحويل. وبالتالي، نتيجة للفحص المتكرر، يتم تخزين السعات اللحظية للإشارة المنعكسة في نافذة الاستقبال في ذاكرة الكمبيوتر 8. يتم تنفيذ تكامل العينات الرقمية التي تم الحصول عليها عن طريق الجمع المتسلسل للعينات، ويتم التكامل المتعدد عن طريق التطبيق المتسلسل لهذا الإجراء. في الأشكال 1-5، يُظهر محور الإحداثي المحوري أرقام عينات إشارة UWB. يمكن معالجة نتائج التكامل التي تم الحصول عليها بشكل مرئي من قبل المشغل أو من خلال طرق المعالجة المعروفة في الكمبيوتر 8.
وبالتالي، فإن الطريقة المقترحة مجدية من الناحية التقنية وتجعل من الممكن زيادة دقة الاستشعار الراداري واسع النطاق.
قائمة الأدب المستخدم
1. أستانين إل.يو.، كوستيليف أ.أ. أساسيات القياسات الرادارية ذات النطاق العريض للغاية. - م: الإذاعة والاتصالات، 1989. - 192 ص: مريض.
2. براءة الاختراع رو 2141674.
3. براءة الاختراع FR 2626666.
4. الأسس النظرية للرادار / إد. V. E. دوليفيتش. - م: سوف. الراديو، 1978. - 608 ص.
طريقة لزيادة دقة استشعار الرادار فائق الاتساع، والتي تتمثل في بث نبضة راديوية مستكشفة للفص N، حيث N = 2، 3، 4، 5...، واستقبال الإشارات المنعكسة بشكل مستمر في نافذة زمنية محددة، والكشف إشارات من كائنات الدراسة ، وقياس وتقييم معلمات الإشارات المنعكسة من كائنات الدراسة ، والتي تتميز بأن فحص كائن الدراسة بنبض راديوي N-lobe يتم بشكل متكرر ؛ عند استقبال الإشارات المنعكسة ، يمكن التحكم فيها تحدد قيمة التأخير نافذة الاستقبال مع القدرة على الحصول على التنفيذ الكامل للإشارة المنعكسة في النافذة الزمنية المحددة وموضع النقطة المرجعية في أنها تدمج العينات المستقبلة للإشارة المنعكسة في النافذة الزمنية المحددة للاستقبال N-1 مرات، تحويل البنية الزمنية للفص N للإشارة إلى بنية أحادية الفص، وتوفير دقة الأجسام القريبة للدراسة، واستخدام نتائج التكامل لاكتشاف كائنات الدراسة، وقياس وتقييم معلمات الإشارات من كائنات الدراسة.
براءات الاختراع المماثلة:
يتعلق الاختراع بهندسة الراديو، وبشكل أساسي برادار الأجسام الثابتة، ويمكن استخدامه على وجه الخصوص للاستشعار تحت السطح.
يتعلق الاختراع بالرادار قصير المدى ويمكن استخدامه في أنظمة التحكم المستقلة لحركة الأجسام المتفاعلة لقياس زاوية التلامس لهدف جوي مركز على مسافات محدودة باستخدام رادار نشط موجود على متن الطائرة.
يتعلق الاختراع بالرادار قصير المدى ويمكن استخدامه لقياس زاوية التقاء الطائرة بهدف جوي مركز في أجهزة التحكم المستقل في حركة الأجسام المتفاعلة على مسافات محدودة.
يتعلق الاختراع بهندسة الراديو ويمكن استخدامه في أنظمة المراقبة الراديوية السلبية لتحديد وتحديد الاتجاه وتحديد موقع الأجسام الأرضية والجوية من خلال انبعاثات أجهزة إرسال UHF الخاصة بها عند استخدام محطة استقبال واحدة.
وصف موجز وأمثلة لتطبيق الطريقة
تعتمد طريقة الاستشعار تحت السطح باستخدام جيورادار (في المصطلحات المقبولة عمومًا جيورادار؛ في الأدب الإنجليزي تسمى هذه الطريقة "الرادار المخترق الأرضي" أو GPR.) على دراسة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في وسط ما. وتقوم فكرة الطريقة على إصدار نبضات من الموجات الكهرومغناطيسية وتسجيل الإشارات المنعكسة من الواجهات بين طبقات الوسط المسبار والتي لها اختلاف في ثابت العزل الكهربائي. . مثل هذه الواجهات في البيئات المدروسة هي، على سبيل المثال، الاتصال بين التربة الجافة والمشبعة بالرطوبة (مستوى المياه الجوفية)، والاتصال بين الصخور ذات التركيبات الصخرية المختلفة، بين الصخور ومواد البنية الاصطناعية، بين التربة المجمدة والمذابة، بين الصخور الأساسية والصخور السائبة، الخ. د. (يظهر الرسم التخطيطي لتشكيل نمط الموجة في الشكل).
مخطط لتشكيل موجة كهرومغناطيسية منحرفة من أنبوب يقع على عمق H وموجة تنعكس من الواجهة بين الوسائط ذات ثوابت عازلة مختلفة: أقسام العمق (أ) والوقت (ب).
يمكن تقسيم جميع المشكلات التي تم حلها بمساعدة رادار اختراق الأرض إلى مجموعتين كبيرتين مع طرق البحث وطرق المعالجة وأنواع عرض الكائنات البحثية في مجال الموجات الكهرومغناطيسية وتقديم النتائج المميزة لكل مجموعة. تتضمن المجموعة الأولى المهام الجيولوجية والهيدروجيولوجية والجيوتقنية، مثل رسم الخرائط:
- الأسطح الصخرية تحت الرواسب السائبة؛
- مستويات المياه الجوفية والحدود بين الطبقات بدرجات متفاوتة من التشبع المائي؛
- الرمل، الطين، الخث، وما إلى ذلك؛
- التربة المجمدة
- تحديد سمك طبقة المياه ورسم خرائط الرواسب تحت القاع؛
- سمك الجليد والثلج.
تتضمن المجموعة الثانية من المهام البحث عن الأشياء المحلية، وفحص الهياكل الهندسية، وانتهاك الوضع الطبيعي، على سبيل المثال:
- البحث عن تجاويف تحت الأرض.
- فحص الجسور وأسطح الطرق؛
- رسم خرائط الاتصالات (خطوط الأنابيب والكابلات)؛
- فحص الهياكل الخرسانية.
- التربة المالحة.
- أقسام القسم التي تعاني من اضطراب التربة الطبيعية - الأراضي المستصلحة والحفريات الردمية.
الذي - التي. حاليًا، يتم استخدام GPR على نطاق واسع في الأبحاث على أعماق ضحلة نسبيًا للأجسام المستهدفة (0.2 - 15 مترًا)، باستثناء دراسة الأنهار الجليدية والصخور المتجمدة، حيث يزداد العمق بسبب المقاومة العالية.
Georadar هو جهاز جيوفيزيائي رقمي محمول يحمله مشغل واحد، مصمم لحل مجموعة واسعة من المشاكل الجيوتقنية والجيولوجية والبيئية والهندسية وغيرها حيث تكون هناك حاجة للمراقبة التشغيلية للبيئة، والحصول على أقسام التربة التي لا تتطلب الحفر أو الحفر. أثناء السبر، يتلقى المشغل المعلومات في الوقت الحقيقي على الشاشة في شكل ملف تعريف رادار (يسمى مخطط الرادار). وفي الوقت نفسه، يتم تسجيل البيانات على القرص الصلب لجهاز الكمبيوتر لمزيد من الاستخدام (المعالجة والطباعة والتفسير وما إلى ذلك).
توفر مجموعة من وحدات الهوائي القابلة للاستبدال القدرة على التحقيق في نطاق ترددي واسع (16 - 2000 ميجاهرتز). يتم تحديد استخدام نظام هوائي معين من خلال المشكلة التي يتم حلها أثناء السبر. زيادة وتيرة التحقيق يؤدي إلى تحسين القرار؛ ولكن في الوقت نفسه يزداد توهين الموجة الكهرومغناطيسية في الوسط، مما يؤدي إلى انخفاض في عمق التحقيق؛ على العكس من ذلك، من خلال تقليل التردد، يمكنك زيادة عمق الفحص، ولكن سيتعين عليك دفع ثمن ذلك عن طريق تدهور الدقة. بالإضافة إلى ذلك، مع انخفاض التردد، تزداد منطقة عدم الحساسية الأولية (ما يسمى بالمنطقة الميتة) للرادار الجغرافي.
يوجد أدناه جدول يوضح اعتماد الدقة والمنطقة الميتة وعمق الفحص اعتمادًا على الهوائي المستخدم. ومن المفترض أن يتم فحص التربة ذات ثابت العزل الكهربائي النسبي 4 وتوهين محدد قدره 1-2 ديسيبل/متر. نعني بالعمق عمق اكتشاف الحدود المسطحة بمعامل انعكاس قدره 1. ويجب أن يؤخذ في الاعتبار أن هذه البيانات تقريبية للغاية، فهي تعتمد بشدة على معلمات الوسط الذي تم فحصه.
معامل | التردد المركزي | ||||||
2 جيجا هرتز | 900 ميجا هرتز | 500 ميجا هرتز | 300 ميجا هرتز | 150 ميجا هرتز | 75 ميجا هرتز | 38 ميجا هرتز | |
القرار، م | 0.06 — 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1.0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
المنطقة الميتة، م | 0.08 | 0.1-0.2 | 0.25-0.5 | 0.5-1.0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
العمق، م | 1.5-2 | 3-5 | 7-10 | 10-15 | 7-10 | 10-15 | 15-30 |
تم تصميم أجهزة GPR الحديثة للعمل في المناطق التي يصعب الوصول إليها ذات المناخات غير المواتية ويمكن استخدامها في أي وقت من السنة (درجة حرارة تشغيل GPR -20...+40 درجة مئوية).
فيما يلي أمثلة لتطبيق الطريقة لحل بعض المشكلات (القليلة جدًا).
اكتشاف ثلاثة أنابيب معدنية مدفونة في الأرض على عمق 1 – 1.5 متر. يعطي كل أنبوب إشارة مسار على شكل قطع زائد، يتوافق رأسه مع موقعه. تردد السبر 900 ميجا هرتز. موقع السبر - بالقرب من داوجافبيلس، لاتفيا. | |
اكتشاف تجويف كارستي في الحجر الجيري تحت طبقة من الطميية. يظهر التجويف (محاط بدائرة) على الجانب الأيسر من المظهر الجانبي على شكل خطوط متناوبة. يظهر Loam في الأعلى كإشارة مستمرة. تردد التحقيق 300 ميجا هرتز. موقع السبر هو شاطئ البحر الميت بإسرائيل. | |
فحص جدار من الطوب. في منتصف الملف الشخصي، تكون الإشارة الصادرة من الخزانة المعدنية المدمجة في الحائط مرئية بوضوح. تردد التحقيق 2 جيجا هرتز. مكان السبر: ريغا، لاتفيا. | |
رسم صورة لبحيرة من قاع قارب بلاستيكي. تم استخدام هوائي محمي بتردد 500 ميجاهرتز. تظهر الأجسام المعدنية بوضوح شديد في الطمي (المشار إليها في الشكل بـ MO). | |
تم الحصول على هذا الملف من خلال فحص جدار انجراف منجم الملح. تظهر بوضوح إشارات على شكل قطع زائدة كثيرة من الانجراف المجاور. المسافة بين الانجرافات حوالي 7.5 متر. تردد التحقيق 500 ميجا هرتز. موقع السبر: ميرني، روسيا. |
30 /11
2018
تطبيق المسح بالليزر في نمذجة معلومات البناء
تتطلب المشاكل الحديثة الناشئة في تصميم وبناء وتشغيل المباني والهياكل عرض البيانات في مساحة ثلاثية الأبعاد، والتي تصف بدقة واكتمال عاليين الموقع النسبي لأجزاء المباني والهياكل والوضع والإغاثة.
يتعلق الاختراع بمجال استشعار الرادار باستخدام إشارات نبضية أحادية النطاق فائق العرض (UWB) ويمكن استخدامها عند فحص العديد من الأجسام القريبة، على سبيل المثال طبقات الرصيف الإسفلتي. وتتكون الطريقة من بث نبضة راديوية مسبارية من فص N، واستقبال الإشارة المنعكسة بشكل مستمر، ودمجها N-1 مرات في نافذة زمنية محددة، واكتشاف وتقييم الإشارات من كائنات الدراسة. والنتيجة التقنية المحققة للاختراع هي زيادة دقة دقة استشعار UWB. 6 مريض.
رسومات لبراءة الاختراع RF 2348945
يتعلق الاختراع بمجال استشعار الرادار باستخدام إشارات نبضية ذات نطاق عريض للغاية (UWB) بمدة T ويمكن استخدامها عند فحص عدة أجسام، والمسافة بينها L قابلة للمقارنة بـ сT، حيث c هي سرعة الضوء في الوسط ، أي. في الظروف التي تتداخل فيها الإشارات المنعكسة من عدة أشياء قيد الدراسة مع بعضها البعض. تنشأ هذه المشكلة، على سبيل المثال، عند فحص طبقات التربة تحت السطح، وخاصة أسطح الطرق الإسفلتية متعددة الطبقات.
من المعروف، ص.24، أن أي إشارة S(t) يمكن إرسالها بواسطة هوائي يجب أن تستوفي الشرط: بما في ذلك إشارة سبر رادارية UWB متعددة الفصوص.
عند استخدام استشعار رادار UWB للعديد من الأجسام البحثية القريبة، تنشأ مشكلة حل الإشارات الواردة من كائن وآخر. وتتفاقم هذه المشكلة بسبب وجود التداخل ومعدات الإرسال والاستقبال غير الكاملة والعديد من العوامل الأخرى.
الطريقة التقليدية للمعالجة المسبقة لإشارة الرادار المنعكسة من كائن الدراسة هي اكتشافها - اختيار وظيفة التردد المنخفض - غلاف السعة (المعقد) لنبض الراديو. عند العمل بإشارات UWB، فإن غلاف الاتساع لإشارة UWB التي تم الحصول عليها باستخدام تحويل هيلبرت لا يعكس دائمًا بشكل صحيح ميزات شكله ص.17. وفي هذه الحالة، لا يتم تحقيق الدقة العالية المحتملة لإشارات UWB.
3. براءة الاختراع FR 2626666.
4. الأسس النظرية للرادار / إد. V. E. دوليفيتش. - م: سوف. الراديو، 1978. - 608 ص.
مطالبة
طريقة لزيادة دقة استشعار الرادار فائق الاتساع، والتي تتمثل في بث نبضة راديوية مستكشفة للفص N، حيث N = 2، 3، 4، 5...، واستقبال الإشارات المنعكسة بشكل مستمر في نافذة زمنية محددة، والكشف إشارات من كائنات الدراسة ، وقياس وتقييم معلمات الإشارات المنعكسة من كائنات الدراسة ، والتي تتميز بأن فحص كائن الدراسة بنبض راديوي N-lobe يتم بشكل متكرر ؛ عند استقبال الإشارات المنعكسة ، يمكن التحكم فيها تحدد قيمة التأخير نافذة الاستقبال مع القدرة على الحصول على التنفيذ الكامل للإشارة المنعكسة في النافذة الزمنية المحددة وموضع النقطة المرجعية في أنها تدمج العينات المستقبلة للإشارة المنعكسة في النافذة الزمنية المحددة للاستقبال N-1 مرات، تحويل البنية الزمنية للفص N للإشارة إلى بنية أحادية الفص، وتوفير دقة الأجسام القريبة للدراسة، واستخدام نتائج التكامل لاكتشاف كائنات الدراسة، وقياس وتقييم معلمات الإشارات من كائنات الدراسة.