close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

;docx

код для вставкиСкачать
РРВ-24
Дистанционное зондирование атмосферы и земных покровов, радиометеорология
____________________________________________________________________________________________
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАДАРА ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
С БОРТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
В.Н. Марчук, В.М. Смирнов, О.В. Юшкова
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал,
141190, Россия, г. Фрязино, пл. Введенского, 1,
E-mail: [email protected]
Обсуждается возможность применения радара подповерхностного зондирования при установке его на
борт летательного аппарата (ЛА): рассматриваются наиболее оптимальные характеристики радара и возможные типы ЛА.
THE POSSIBILITY OF APPLICATION OF GROUND PENETRATING
RADAR INSTALLED ON BOARD AIRCRAFT
V.N. Marchuk, V.M. Smirnov, O.V. Yushkova
The possibility of application of ground penetrating radar installed on board aircraft is discussed. The optimal
characteristics of the radar and the possible types of aircraft are considered.
Введение
Эффект отражения импульсных электромагнитных волн от подповерхностных неоднородностей
был случайно обнаружен А. Уэйтом в 1957 г. на ледовом аэродроме в Антарктиде, когда он обратил
внимание на то, что радиовысотомер самолета показывал высоту 900 футов еще до момента его отрыва от взлетной полосы. Первоначальное предположение о неисправности высотомера, который представлял собой импульсный радиолокатор, не оправдалось, а выяснилось, что локатор фиксирует сигнал от подножья ледника. Дальнейшие эксперименты показали, что используя импульсный радиолокатор, можно определять толщину льда как с его поверхности, так и с воздуха [1–3].
Несмотря на это, использование подповерхностной радиолокации с борта летательных аппаратов (ЛА) распространено мало. В литературе описаны лишь единичные случаи успешного
применения ЛА для подповерхностного зондирования[3-7]. Это обусловлено целым рядом проблем, возникающих при установке радаров подповерхностного зондирования на борт ЛА:
 антенны георадаров сконструированы таким образом, чтобы работать на границе сред
воздух-грунт – при отрыве антенны от грунта на величину больше длины волны излучаемого сигнала диаграмма направленности (ДН) антенны становится практически круговой, что приводит к
ухудшению к.п.д. антенны, увеличивает количество отражений от объектов, расположенных на
поверхности, и, соответственно, затрудняет обнаружение более слабых по сравнению с ними сигналов, отраженных из-под поверхности;
 на границе воздух-грунт происходит наиболее сильное отражение сигнала, соответственно в грунт проникает намного меньшая мощность, по сравнению со случаем радара, расположенного на поверхности, что приводит к необходимости увеличения динамического диапазона усиления радара, так как на фоне мощного отражения от поверхности нужно обнаруживать на порядки
более слабые сигналы из-под поверхности;
 большинство георадаров работают по стробоскопическому принципу – для формирования выборки из N точек необходимо излучить N импульсов зондирования (при этом предполагается, что за время формирования выборки вид отраженного сигнала меняется настолько незначительно, что этим изменением можно пренебречь);
 кроме того, большинство георадаров компенсируют затухание сигнала в среде путем
накопления большого числа (100 и более) импульсов для увеличения соотношения сигнал/шум,
также в предположении, что за время накопления сигнал практически не изменяется;
 при отрыве радара от поверхности грунта на десятки метров и размещении его на быстро
движущемся носителе условие неизменности сигнала за время стробоскопирования и накопления сигнала соблюсти невозможно – требуются другие способы формирования сигнала и его регистрации;
 изменение высоты ЛА во время зондирования приводит к изменению амплитуды и времени задержки отраженного сигнала, что затрудняет его регистрацию;
 полученные сигналы с быстро перемещающегося ЛА сложно привязать к плану на
местности.
219
РРВ-24
Дистанционное зондирование атмосферы и земных покровов, радиометеорология
____________________________________________________________________________________________
Цель работы и решаемые задачи
Таким образом, для успешного решения задачи использования радара подповерхностного
зондирования с борта ЛА необходимо решить следующие задачи:
 увеличение средней мощности излучаемого сигнала;
 уменьшение времени регистрации сигнала;
 синхронизация начального момента начала регистрации сигнала с показаниями высотомера;
 точная привязка радиолокационных данных к плану на местности;
 создание антенной системы с узкой ДН, так чтобы зона отражения была сравнима с зоной
Френеля.
Увеличение средней мощности излучаемого сигнала может быть достигнуто путем перехода
от сверхкоротких сверхширокополосных (СШП) сигналов к организованным сигналам: линейно
частотно модулированному (ЛЧМ) либо фазокодоманипулированному (ФКМн) сигналам. Улучшение соотношения сигнал шум в этом случае будем прямо пропорционально длительности ЛЧМ
сигнала или количеству подимпульсов ФКМн сигнала. Применение таких сигналов дает возможность производить одномоментную регистрацию принимаемого сигнала вместо схемы «накопление+стробоскопирование», что позволит уменьшить время регистрации до приемлемого уровня.
Еще один способ – использование мощных киловольтных сверхкоротких импульсов на резистивно
нагруженной антенне.
Для того, чтобы регистрация сигнала начиналась в момент прихода отражения от поверхности предлагается использовать измеритель высоты. Это может быть лазерный дальномер, либо
высокочастотный радиодальномер, работающий попеременно с подповерхностным радаром. После измерения расстояния до поверхности запуск регистрации данных подповерхностного радара
задерживается на время распространения до поверхности и обратно. Таким образом, регистрация
данных будет производиться только в значимые моменты времени.
Привязка к карте местности может быть осуществлена путем использования высокоточных
GPS-приемников. Кроме того, для повышения точности определения направления на подлокаторную точку следует использовать гиростабилизированную платформу, координаты которой определяются и регистрируются в каждый момент измерения.
Чтобы получить узкую диаграмму направленности предполагается использовать либо параболическую антенну с резистивно нагруженным диполем в качестве излучателя [3], либо более
сложную специально спроектированную антенную систему.
В качестве ЛА обычно предполагается использовать вертолет (пилотируемый или беспилотный). Оба варианта имеют свои недостатки: у пилотируемого вертолета есть ограничение на работу на малых высотах, а у беспилотных вертолетов как правило ограничен вес полезной нагрузки.
Альтернативным вариантом может быть использование наполненного гелием дирижабля: автономного (управляемого дистанционно) или буксируемого на заданной высоте с помощью наземного транспорта (по типу «воздушного змея»). Отметим, что гиперболическая антенна радара может быть также надувной, с металлизированной отражающей рабочей поверхностью.
Предлагается к рассмотрению возможность разработки специализированного радиолокационного комплекса воздушного базирования (СРКВБ), предназначенного для установки на беспилотный летательный аппарат. В комплект СРКВБ предлагается включить лазерный дальномер для
снятия рельефа исследуемой поверхности или верхней границы снежного покрова, высокочастотный сканирующий радар для определения радиофизических характеристик поверхности и определения нижней границы снежного покрова, радар подповерхностного зондирования для исследования структуры грунта и обнаружения в нем неоднородностей (разуплотнений, трубопроводов, кабелей, подземных коммуникаций и элементов строительных конструкций, водоносных слоев и т. д.).
Состав СРКВБ:
Высокочастотный сканирующий радар (вариант 1):
 центральная частота – 3–5 ГГц (уточняется в процессе разработки);
 ширина луча – 0.5° (размер пятна засветки 0.1 м с высоты 10 м);
 размер области сканирования – 10 м (с высоты 10 м);
Высокочастотный сканирующий радар (вариант 2):
 ширина луча – 0.5° (размер пятна засветки 1 м с высоты 100 м);
 размер области сканирования – 20 м (с высоты 100 м);
Радар подповерхностного зондирования:
 центральная частота – 150–200 МГц;
 размер исследуемой области– 20 м (с высоты 100 м);
220
РРВ-24
Дистанционное зондирование атмосферы и земных покровов, радиометеорология
____________________________________________________________________________________________
 глубина зондирования – не менее 5 м в (сухом песке);
Лазерный дальномер:
 Определение дальности на высотах до 150 м с точностью не хуже 1 см.
Выводы
Комплексная обработка получаемых данных позволяет получать дополнительную информацию о структуре исследуемого грунта или о скрытых под слоем грунта объектах.
Дальность до поверхности и рельеф определяются сканирующим лазером и подтверждаются
высокочастотным радаром с антенной решеткой. Если данные лазерного сканирования и радарного зондирования существенно отличаются – значит исследуемая площадка покрыта толстым слоем
снега (зимой) или растительности.
Структура грунта и его плотность могут оцениваться по данным радара подповерхностного
зондирования. Для этого необходимо оценить влажность подстилающей поверхности по комбинированным данным от лазерного дальномера и высокочастотного радара. Рыхлый грунт обладает
более низкой отражающей способностью по сравнению с плотным. Соответственно можно экспериментальным путем подобрать зависимость мощности отраженного сигнала от высоты для различных типов грунтов и затем, сравнивая принятый сигнал с табличным (эталонным), получать
вероятностную оценку плотности грунта.
Кроме того СРКВБ можно будет использовать для мониторинга лесных массивов (оценка
объемов древесины), предупреждения лесных пожаров (по измерению сухости леса), ледовой разведки перед идущим ледоколом для выбора оптимального пути.
Возможность обнаружения скрытых кабелей и подземных коммуникаций делает СРКВБ незаменимым в области безопасности и антитеррористических мероприятий.
Работа выполнена при частичной поддержке Программы ОФН РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды и человека».
ЛИТЕРАТУРА
1. Финкельштейн М.И., Мендельсон В.Л., Кутев В.А. Радиолокация слоистых земных покровов. М., Советское Радио. 1977. 174 с.
2. Evans S. Radio techniques for the measurement of ice thickness. PolarRec. 1963. 11. P. 406–410.
3. Эпизод 27. Георадар воздушного базирования // ООО «ВНИИ СМИ» Фонд подводных
геофизических исследований. http://www.geo-radar.ru/stories/story27.php.
4. Андрианов В.А., Назаренко С.Д., Марчук В.Н., Штерн Д.Я. Эксперимент по подповерхностной радиолокации мерзлых грунтов // 3-я Межд. конф. поподповерхн. радиолокации, Лейквуд,
Колорадо США, 1990 г.
5. Андрианов В.А., Назаренко С.Д., Марчук В.Н., Подборный Е.Е. Экспериментальные результаты дистанционного радиолокационного зондирования газопровода в грунте // Тез. докл. на
Всес. н.-т. конф. «Прим. широкополосных сигналов в радиоэлектр. и геофизике» Красноярск 26–
30 августа 1991 г.
6. Семейкин Н.П., Монахов В.В., Зверев Е.О., Еременко А.В. Георадиолокационные исследования пресных речных льдов. Измерение толщины льда // Тезисы докладов 4-й Междунар. научнопрактич. конф. по георадиолокации «Георадар - 2004». М: МГУ. 2004.
7. Harry M. Jol. Ground Penetrating Radar Theory and Applications // Elsevier, 2008. 544 p.
221
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа