Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием одиночных сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов и может быть использовано при зондировании нескольких, близкорасположенных объектов, например слоев асфальтового покрытия. Способ заключается в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал, интегрируют его N-1 раз в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности разрешающей способности СШП зондирования. 6 ил.
Рисунки к патенту РФ 2348945
Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов длительностью Т и может быть использовано при зондировании нескольких объектов, расстояние между которыми L сопоставимо с сТ, где с - скорость света в среде, т.е. в условиях, когда сигналы, отраженные от нескольких объектов исследования, накладываются друг на друга. Такая проблема возникает, например, при зондировании подповерхностных слоев грунта, в частности многослойного асфальтового покрытия дорог.
Известно , стр.24, что любой сигнал S(t), который может быть излучен антенной, должен удовлетворять условию: 
в том числе одиночный многолепестковый зондирующий радиолокационный СШП сигнал.
При СШП радиолокационном зондировании нескольких близкорасположенных объектов исследования возникает проблема разрешения сигналов, принятых от одного и другого объектов. Эта проблема усугубляется наличием помех, несовершенством приемо-передающей аппаратуры и множеством других факторов.
Традиционным способом предварительной обработки радиолокационного сигнала, отраженного от объекта исследования, является его детектирование - выделение низкочастотной функции - амплитудной (комплексной) огибающей радиоимпульса. При работе с СШП сигналами амплитудная огибающая СШП сигнала, полученная при помощи преобразования Гильберта, не всегда корректно отображает особенности его формы стр.17. При этом не реализуется потенциально высокая разрешающая способность СШП сигналов.
3. Патент FR 2626666.
4. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е.Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, где N=2, 3, 4, 5..., непрерывно принимают отраженные сигналы в выбранном временном окне, обнаруживают сигналы от объектов исследования, измеряют и оценивают параметры сигналов, отраженных от объектов исследования, отличающийся тем, что зондирование объекта исследования N-лепестковым радиоимпульсом осуществляют многократно, при приеме отраженных сигналов управляемой величиной задержки задают окно приема с возможностью получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне и положения точки отсчета в нем, интегрируют полученные отсчеты отраженного сигнала в выбранном временном окне приема N-1 раз, преобразуя N-лепестковую временную структуру сигнала в однолепестковую, обеспечивающую разрешение близкорасположенных объектов исследования, используют результаты интегрирования для обнаружения объектов исследования, измерения и оценки параметров сигналов от объектов исследования.
Лившиц М. Разрешающая способность измерительных приборов //Квант. - 2002. - № 3. - С. 35-36.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Всем известно, что микроскоп нужен для того, например, чтобы пересчитать число микробов на предметном столике, телескоп - чтобы пересчитать звезды на небе, радиолокатор - чтобы установить число летательных аппаратов в небе и расстояния до них.
В этой статье речь пойдет о важнейшем свойстве физических приборов - их разрешающей способности, т.е. величине наименьших деталей объектов измерения, различаемых в процессе измерения. Именно разрешающая способность является главной характеристикой качества применяемого измерителя (даже более важной, чем точность измерений). Например, не только от увеличения микроскопа зависит его качество. Если устройство микроскопа не обеспечивает раздельное восприятие достаточно мелких деталей объекта, то получаемое изображение не улучшится даже при значительном росте увеличения. Мы получим только более крупную, но такую же нечеткую картинку рассматриваемого предмета. Кроме того, сами ошибки измерения могут быть определены только после разрешения, т.е. после выделения данной детали объекта из других.
Покажем, какие физические свойства дистанционных (неконтактных) измерителей непосредственно влияют на получающееся при их использовании разрешение и какими методами можно добиться улучшения разрешающей способности таких приборов.
Сначала дадим количественную оценку. Чем более мелкие детали объектов могут быть выделены данным прибором в процессе измерения, тем лучше (выше) его разрешающая способность. Для различных приборов существуют различные определения и разные формулы для количественной оценки разрешающей способности в зависимости от целей и методов: например, оценивается ли разрешение деталей предмета (микроскоп, бинокль, телескоп) или отдельных линий в спектре излучения (призма, дифракционная решетка и другие спектральные устройства), используется ли независимость наблюдения и измерения координат нескольких целей (радиолокатор, гидролокатор, эхолокатор животного) и т.п. Однако общепринятой основой количественной оценки разрешающей способности является критерий Рэлея, первоначально установленный для случая раздельного наблюдения двух точечных источников света (разрешение двойных звезд). Его обобщение, позволяющее использовать этот критерий в самых разных случаях, осуществляется следующим образом.
Пусть входное воздействие на измерительный прибор состоит из двух пиков, отстоящих на интервал Δx ; при этом на выходе прибора от каждого пика получается «отклик» в виде более размазанного по х всплеска конечной ширины, характеризующий свойства прибора и называемый аппаратной функцией (рис.1). Тогда разрешающей способностью по Рэлею называют минимальный интервал Δx min между воздействиями двух пиков, при котором суммарный отклик еще имеет вид двугорбой кривой (рис.2,а). Если уменьшить Δx , верхушка суммарного всплеска уплощается и всплески сливаются в один (рис.2,б).
Какие же параметры волн, используемых в дистанционных измерителях, определяют величину разрешающей способности? Оказывается, таким параметром является степень когерентности волн (латинское слово «когерентный» означает «находящийся в связи»).
Прежде вспомним о когерентности колебаний. Колебания называются когерентными, если разности фаз и отношения амплитуд колебаний остаются постоянными в течение всего времени наблюдения. В простейшем случае когерентными являются два синусоидальных колебания \(~A \cos (\omega t + \alpha)\) и \(~B \cos (\omega t + \beta)\), где А , В , α и β - постоянные величины. Поскольку волновые процессы определяются колебаниями во всех точках пространства, где эти волны существуют, необходимым условием когерентности волн является когерентность колебаний, происходящих в каждой данной точке волны в течение времени наблюдения.
Более общим и кратким является определение некогерентности волн: пучки света или других волн будут некогерентными, если разность фаз между колебаниями во всех точках пространства, где эти волны существуют совместно, многократно и нерегулярным образом изменяется в течение времени наблюдения.
Теперь постараемся установить связь разрешающей способности измерителя со степенью когерентности волн. Наиболее наглядно это можно сделать на примере радиолокации - способе определения местонахождения объектов с помощью радиоволн.
Кратко напомним принцип работы импульсной радиолокационной станции (РЛС). На рисунке 3 изображена блок-схема РЛС. Здесь 1 - передатчик, 2 - антенный переключатель, 3 - антенна, 4 - диаграмма направленности антенны, 5 - приемник, 6 - индикатор. Передатчик РЛС с помощью узконаправленной антенны производит периодическое облучение пространства кратковременными цугами радиоволн (так называемыми зондирующими, т.е. «ощупывающими», импульсами). Поворотом антенны (или другими способами) производится изменение направления излучения радиоволн и, тем самым, осуществляется последовательное зондирование большего или меньшего сектора пространства (или круговой обзор). Отраженные от различных целей импульсы поступают (обычно через ту же антенну) в приемник РЛС. При этом определение угловых координат целей основано на использовании диаграммы направленности антенны на излучение и прием. Измерение дальности D производится по измерению времени запаздывания t zap прихода отраженного от цели импульса относительно момента излучения зондирующего импульса:
\(~D = \frac{c t_{zap}}{2}\) ,
где c - скорость света. Двойка в знаменателе появляется из- за того, что время запаздывания складывается из времени прохождения зондирующего импульса до цели и такого же времени прохождения отраженного импульса до РЛС.
Разрешающей способностью РЛС по углу называется наименьшая разность углов Δα между направлениями на две цели, находящиеся на одной дальности, при которой отраженные импульсы от них наблюдаются раздельно. Легко видеть, что это соответствует простейшему случаю пространственной некогерентности: разрешаются (по углу) те цели, на которые не может одновременно попасть «освещающее» излучение РЛС, так как направления на них отличаются на ширину диаграммы направленности антенны (рис.4).
Разрешающей способностью РЛС по дальности называется наименьшее расстояние δr между двумя целями, находящимися в одном направлении, при котором они наблюдаются раздельно. В так называемых классических РЛС в качестве зондирующего импульса применялся синусоидальный цуг волн постоянной амплитуды. Это объясняется, в частности, тем, что такой цуг легко создать: достаточно на высокочастотный генератор (например, магнетрон) кратковременно подать постоянное по величине высокое напряжение. Однородность структуры цуга приводит к тому, что отраженные от различных целей волны будут иметь одинаковую частоту (если они движутся по направлению к РЛС с одинаковой скоростью или если можно пренебречь эффектом Доплера), в пределах взаимного перекрытия отраженных импульсов они будут когерентны, и разделить цели полностью не удастся. Отраженные от двух целей импульсы будут некогерентны только тогда, когда они не совпадают по времени прихода в приемник РЛС и поэтому не перекрываются на экране индикатора (рис.5).
Таким образом, разрешающая способность этих РЛС по дальности составляет
\(~\delta r = \frac{c \tau}{2}\) ,
где τ - длительность импульса. Можно сказать, что в рассматриваемой РЛС некогерентность приходящих от разных целей отраженных сигналов выступает в самом простом виде: как отсутствие их совпадения во времени.
Как видно из последней формулы, для повышения разрешающей способности по дальности необходимо уменьшать длительность импульса τ . Но это неизбежно приводит к соответствующему расширению полосы частот. Дело в том, что, с одной стороны, существует фундаментальное соотношение между длительностью τ сигнала (например, обрывка синусоиды) и шириной Δν его спектра (на шкале частот), в которой сосредоточена основная энергия импульса:
\(~\Delta \nu \approx \frac{1}{\tau}\) .
С другой стороны, вполне понятно, что дальность обнаружения цели определяется энергией зондирующего и, следовательно, вернувшегося назад импульса. Значит, при укорочении импульса приходится соответственно увеличивать мощность передатчика, что является непростой задачей.
В поисках выхода из этой ситуации в радиолокации пошли по пути увеличения ширины полосы частот импульса без изменения его длительности: путем перехода от синусоидальной к более усложненной внутренней структуре зондирующего импульса. Так появились РЛС с линейно-частотно-модулированными (ЛЧМ) зондирующими импульсами (рис.6). В этом случае оказывается, что соотношение между длительностью и шириной сигнала будет выполняться уже не для длительности импульса τ imp , а для времени когерентности τ kog:
\(~\tau_{kog} \approx \frac{1}{\Delta \nu}\) , где \(~\Delta \nu >> \frac{1}{\tau_{imp}}\).
Правда для этого в приемнике РЛС вводится дополнительный специальный фильтр, с помощью которого осуществляется сжатие принятого импульса до длительности τ s = τ kog . Теперь импульсы на экране РЛС будут разделяться при гораздо меньшем расстоянии между Целями, чем это было при использовании синусоидального импульса:
\(~\delta r = \frac{c \tau_s}{2} << \frac{c \tau_{imp}}{2}\) ,
Так подтверждается неразрывная связь разрешающей способности дистанционного измерителя со степенью когерентности волн: для повышения (улучшения) разрешающей способности измерителя необходимо ухудшать когерентность используемых волн.
Любопытно отметить, что в живой природе развитие в этом направлении пошло еще дальше. Например, наряду с летучими мышами, эхолокаторы которых также используют ЛЧМ зондирующие импульсы, существуют так называемые «шепчущие» летучие мыши, применяющие еще более широкополосные шумовые импульсы, т.е. высокочастотные импульсы, модулированные «белым» шумом. Они обнаруживают цели при значительно меньших мощностях излучения, при этом обеспечивается также лучшая защита их локаторов от помех, особенно от взаимных, возникающих при одновременной охоте на насекомых больших групп этих летучих мышей.
Радиолокационная аппаратура подповерхностного зондирования специально предназначена для проведения таможенного досмотра особой категории объектов: навалочных и наливных грузов, находящихся в железнодорожных вагонах, на платформах, в бункерах, цистернах, контейнерах, трюмах судов (например, зерно, щебень, руда, песок, растительное сырьё, минеральные удобрения, лесоматериалы).
Предметы ТПН могут скрывать в объёме декларированного груза в расчёте на то, что он не будет разгружаться и досматриваться таможенной службой. Тайники и сокрытые вложения в больших по протяжённости и объёму объектах таможенного контроля не могут быть выявлены рентгеновским просвечиванием. А применение оптико-механических средств в этих случаях неэффективно.
Именно поэтому было принято решение о создании специальных технических средств, основанных на принципах радиолокации.
Локация - метод определения местоположения объекта с помощью звуковых или электромагнитных волн. В радиолокации используются радиоволны (то есть электромагнитные излучения метрового или дециметрового диапазонов длин волн).
В технике имеется большое количество различных модификаций радиолокационного метода. Для целей таможенного обследования объектов наиболее подходящей является так называемая активная радиолокация. Рассмотрим её принципы.
Локация основана на следующих свойствах радиоволн:
Постоянство скорости распространения;
Прямолинейность пути распространения;
Фокусировка радиоволн антеннами;
Отражение радиоволн от встречающихся на их пути неоднородностей среды.
В обследуемую среду излучается направленный пучок радиоволн. Если на его пути встречается объект с отличными от среды свойствами, то на его границе может произойти отражение радиоволн. Тогда часть их энергии образует отражённый сигнал, который будет направлен в сторону источника излучения. Наличие отражённого сигнала свидетельствует об обнаружении в среде объекта. Отражённый сигнал регистрируется и по времени его запаздывания (по отношению к излучённому сигналу) вычисляется расстояние до обнаруженного объекта . За время запаздывания радиоволны проходят
расстояние до обнаруженного объекта и обратно. Если известна скорость распространения радиоволн в обследуемой среде, то глубину залегания обнаруженного объекта Н можно вычислить по формуле:
где V - скорость распространения радиоволн в лоцируемой среде;
∆ t - время запаздывания.
Технические средства подповерхостного зондирования
На снабжении таможенных органов Российской Федерации находится малогабаритный радиотехнический прибор подповерхностного зондирования (РППЗ) «Зонд».(Приказ ГТК РФ от 18.05.1999 № 308 о принятии на снабжение таможенных органов российской федерации малогабаритного РППЗ ЗОНД)
Согласно этому приказу ЗОНД - Малогабаритный радиотехнический прибор подповерхностного зондирования является оперативно - техническим средством таможенного контроля и предназначен для обнаружения контрабандных вложений (металлические и неметаллические предметы) в сыпучих, навалочных и однородных грузах, размещаемых в кузовах транспортных средств, железнодорожных вагонах (платформах) и трюмах судов 8 .
Такими грузами могут быть песок, щебень, руда, зерно, растительное и минеральное сырье, лесоматериалы и др., в том числе в пакетированном виде и в таре (мешки, тюки, коробки и пр.).
Не подлежат зондированию грузы, состоящие из металлических изделий, металлолом, а также грузы, упакованные в металлическую (металлизированную) тару. Состав прибора можно описать следующими составляющими:
1. Устройство антенное приемо - передающее (УАПП) I диапазона.
2. Устройство антенное приемо - передающее II диапазона.
3. Устройство обработки, управления и индикации (летний / зимний вариант).
4. Складная штанга - ручка.
5. Аккумуляторная батарея (емкость 1,2 А/ч и 3,5 А/ч).
6. Комплект ЗИП-0 (индивидуальный).
7. Эксплуатационная документация.
9. Упаковка 9 .
Основными техническими характеристиками являются:
1. Глубина зондирования (обнаружения), м не менее 3
2. Точность определения глубины залегания обнаруживаемого предмета, м не хуже 0,1
3.Разрешающая способность при обнаружении металлических предметов, м не хуже 0,1
4. Скорость перемещения УАПП над поверхностью зондируемого груза, м/с не более 1
5. Рабочая частота, МГц 700,0 и 1200,0
б.Емкость внутреннего запоминающего устройства, Мбайт не менее 3,5
7. Мощность излучения передающего устройства, Вт
I диапазона не менее 150
II диапазона не менее 8
8. Длительность зондирующего импульса, не 1,5
9. Частота повторения зондирующих импульсов, кГц 25 - 50
10. Чувствительность приемного устройства, мкВ не хуже 300
11. Время непрерывной работы (с двумя автономными источниками питания), час. не менее 8
12. Диапазон рабочих температур, град. С от -20 до +45
13. Вес РППЗ (летний / зимний вариант), кг 3,5 / 4,5
14. Срок службы, лет 5 10
5. Интроскопическая техника: - - досмотровая рентгеновскаятехника - инспекционно- досмотровые комплексы
Это приборы, работающие на принципе локации. т.е использования определенных э/ магнитных волн (э/маг волны метрового и дециметрового диапазона): они имеют свойство при проникновении через материалы (песок,щебень, жидкости) отражаться от встреченного на их пути инородного предмета и тем самым фиксировать его наличие в изучаемой среде
В настоящее время представлена таможенная служба располагает следующими ТС локации (подповерхностного зондирования):
Прибор подповерхностного зондирования « Око»
Прибор подповерхностного зондирования «Зонд – М»
Портативный радиотехнический прибор дистанционного зондирования
(РПДЗ) «Зонд-М является более современным автоматизированным техническим средством таможенного контроля и предназначен для оперативного досмотра (поиска и обнаружения посторонних вложений) сыпучих, навалочных и гомогенных (однородных) грузов, в том числе пакетированных (короба, тюки, мешки и т.д.), размещаемых в кузовах транспортных средств, железнодорожных вагонах (платформах) и трюмах судов.
Рис.3.22 Прибор подповерхностного зондирования «Зонд – М»
Устройство и работа прибора.
Для подповерхностной радиолокации используются короткие импульсные сигналы. Для формирования таких импульсов используется возбуждение широкополосной антенны перепадом напряжения передним фронтом малой длительности. Блок управления, обработки и индикации формирует двухмерное изображение принятых сигналов и выводит их на монитор в реальном масштабе времени.
Для связи с внешним компьютером, в том числе для формирования
трехмерного изображения, в приборе предусмотрен специальный разъем и кабель.
Правильность интерпретации получаемых локационных карт во многом зависит от опыта и знаний оператора.
4. Технические средства поиска спец предметов тпн
К этой группе ТС относятся:
Рассмотренные выше ТС досмотра и поиска (механического, оптико- механического действия; спец меточные средства; рентгеноаппаратура; радиолокационная аппаратура)
Оборудование и приборы, использующие различные газоаналитические и химические методы контроля наличия предметов ТПН
Использование экспресс- тестов для химического анализа объектов- это химические комплекты, содержащие различные реактивы, позволяющие предварительно выявить наличие тех или иных НВ,ПВ или ВВ в объектах контроля (Например. капельный тест «Вираж ВВ», «Наркоцвет» и др.)
Биологичекие методы (использование специально обученных собак)
4.1.Газоаналитические методы контроля проб воздуха и тс на их основе
основаны на анализе проб воздуха, взятого из объекта контроля, на предмет наличия ЦВ различными способами (масс- спектрометрия, газовая хроматография и др.)
К оборудованию и приборам, использующие различные газоаналитические и химические методы контроля наличия предметов ТПН относятся:
Газоанализаторы переносные (например, детектор « SABRE 2000» см. рис.3.23;
Газоанализаторы стационарные (например, Комплекс «ITEMISER–C» см. рис.3.24 ;Дрейф- спектометр «Гриф –1» (Экспресс – обнаружитель ЦВ)- рис.3.25
Газоанализаторы переносные
Рис.3.23 Детектор « SABRE 2000»
Газоанализаторы стационарные
Рис.3.24 Комплекс «ITEMISER – C»
Дрейф- спектометр «Гриф –1» (Экспресс – обнаружитель ЦВ)
Рис. 3.25. Экспресс- обнаружитель "ГРИФ-1"
Назначение
для обнаружения ЦВ с помощью газовой масс- спектрометрии
Принцип действия:
это газоаналитический прибор, работающий на принципе использования масс- спектрометрии: разложении исследуемой пробы воздуха на спектры и изучение их на предмет наличия ионов ЦВ
Устройство:
Моноблок, оснащенный предварительным концентратором пробы (далее концентратором),
Встроенный монитор, -Клавиатура - Аккумуляторным блок, заключенный в пластиковый корпус размером 30x29x12 см
Режимы работы:
Прибор обнаруживает и распознает целевые вещества. Предусмотрена работа прибора в трех режимах:
- режим "А" (атмосфера) - режим работы с летучими парами ЦВ, имеющими высокую испаряемость
- режим "Н" (Н- нагреватель) - режим работы со следовыми количествами малолетучих ЦВ с применением нагревателя и салфетки для сбора пробы
-режим "АКН" (атмосфера, концентратор и нагреватель) -- режим работы с летучими парами и низкой испаряемостью с применением концентратора и нагревателя
Выбор классов распознаваемых целевых веществ (ВВ, НВ, ОВ) производится с клавиатуры.
Принцип работы экспресс – обнаружителя «Гриф-1»
Насос Дрейфовые Направление кольца ионного тока
Источник ионизации (коронный разряд)
Коллектор
Забор воздуха (пробы )
Запирающая сетка (ионный затвор )
Система ци клической продувки области дрейфа
Направление циркуляции газа в системе циклической продув
Работа прибора (в режиме «А») : 1.Проба воздуха через отверстие « Забор воздуха(пробы)» с пом. вихревого эффекта (дрейф), создаваемого вентилятором, попадает в ионизатор 2. В ионизаторе с помощью источника ионизации воздух частично ионизируется (атомы превращаются в заряженные частицы- ионы) Не заряженные молекулы воздуха откачиваются насосом 3. Ионы через запирающую сетку попадают в дрейфовую трубку и под действием э/тока двигаются к коллектору с различной скоростью в завис от размеров, степени поляризации. Это позволяет построить ионный спектр определенного ЦВ, по кот он и определяется. При этом подается сигнал «тревога» и включается световой сигнал. Т.к. пары имеют высоко испаряемые ЦВ, они в режиме «А» детектируются без нагрева. 4. Для ЦВ с низк. испаряемостью- режим «АКН»: применяется нагреватель воздуха (Н) и концентратор для накапливания паров (К) – Для малолетучих веществ – исп. режим «Н»- с прим. нагревателя для повышения летучести.
