RU2230342C2

RU2230342C2 - Process of identification of dielectric objects

Info

Publication number: RU2230342C2
Application number: RU2002124040/09A
Authority: RU
Inventors: А.В. Кузнецов (RU); А.В. Кузнецов; нов В.П. Аверь (RU); В.П. Аверьянов
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2004-06-10
Also published as: RU2002124040A

Abstract

FIELD: subsurface radiolocation. SUBSTANCE: invention is specifically related to methods of identification of objects in process of sounding of condensed media frequency-modulated by continuous electromagnetic radiation. Process of identification of dielectric objects consists in subsurface sounding of medium by frequency-modulated SHF radiation, recording of reflected signal, retuning of frequency in range Δf,f determined by required spatial resolution in direction of sounding and computed by formula Δf>c/2l,f>c/2l where l is spatial resolution; c is velocity of light in vacuum. Reflected signal is recorded on frequencies with interval df chosen depending on depth of sounding and computed by formula df<c/2L where L is sounding depth; c is velocity of light in vacuum. Value of correlation of spectrum of frequency dependence of intensity of reflected signal on spectrum of model signal is assumed in the capacity of criterion of identification of object. EFFECT: identification of dielectric object by its electrical length along direction of sounding. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к способам идентификации объектов при зондировании конденсированных сред частотно-модулированным непрерывным электромагнитным излучением.The invention relates to the field of subsurface radar, and in particular to methods for identifying objects when sensing condensed matter by frequency-modulated continuous electromagnetic radiation.

Известен способ обнаружения предметов в земле (патент РФ №2092874, 1997.10.10, Б. И. №28), позволяющий определять форму предмета в плоскости, параллельной поверхности земли, и определять глубину залегания предмета. Данный способ основан на зондировании квазимонохроматическим излучением конденсированной среды под углом Брюстера и измерении амплитуды и относительной фазы отраженного сигнала. Недостатком данного способа является низкая разрешающая способность и невозможность разделения нескольких предметов, находящихся друг за другом на различных расстояниях от поверхности земли.A known method of detecting objects in the ground (RF patent No. 2092874, 1997.10.10, B. I. No. 28), which allows to determine the shape of the object in a plane parallel to the surface of the earth, and to determine the depth of the object. This method is based on probing quasimonochromatic radiation of a condensed medium at a Brewster angle and measuring the amplitude and relative phase of the reflected signal. The disadvantage of this method is the low resolution and the inability to separate several objects located one after another at different distances from the surface of the earth.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ идентификации подповерхностных объектов, принятый за прототип (И.А. Васильев, Е.Г. Геннадиева, С.И. Ивашов, В.И. Макаренков, В.М. Метальников, В.В. Разевиг, В.Н. Саблин, А.П. Шейко. Многочастотный СВЧ-датчик для обнаружения мин, “Радиотехника”, 1999, №2, с. 49-52). Данный способ основан на использовании непрерывного излучения на 5 частотах в диапазоне частот от 1,5 ГГц до 2,0 ГГц. Недостатком способа является малая разрешающая способность вдоль направления зондирования и, следовательно, возможность идентификации объекта только по его форме в плоскости, перпендикулярной направлению зондирования, что существенно ограничивает возможности способа идентификации в связи с неудовлетворительным качеством радиоизображения. Кроме того, данный способ не позволяет разделять металлические и диэлектрические объекты.Closest to the claimed method is a method for identifying subsurface objects, adopted as a prototype (I.A. Vasiliev, E.G. Gennadieva, S.I. Ivashov, V.I. Makarenkov, V.M. Metalnikov, V.V. Razevig , VN Sablin, AP Sheiko, Multi-frequency microwave sensor for mine detection, Radio Engineering, 1999, No. 2, pp. 49-52). This method is based on the use of continuous radiation at 5 frequencies in the frequency range from 1.5 GHz to 2.0 GHz. The disadvantage of this method is the low resolution along the direction of sounding and, therefore, the ability to identify an object only by its shape in a plane perpendicular to the direction of sounding, which significantly limits the possibilities of the identification method due to the unsatisfactory quality of the radio image. In addition, this method does not allow to separate metal and dielectric objects.

Предлагаемым изобретением решается задача идентификации диэлектрического объекта по его электрической длине вдоль направления зондирования, что в отличие от прототипа позволяет вводить в алгоритмы идентификации объекта не только его форму в плоскости перпендикулярной направлению зондирования, но и его электрическую длину в направлении зондирования.The present invention solves the problem of identifying a dielectric object by its electric length along the sounding direction, which, unlike the prototype, allows not only its shape in the plane perpendicular to the sounding direction, but also its electric length in the sounding direction to be introduced into the object identification algorithms.

Для достижения указанного технического результата в отличие от известного способа используется регистрация интенсивности отраженного сигнала при перестройке частоты зондирующего излучения в диапазоне Δf, определяемом необходимым пространственным разрешением вдоль направления зондированияTo achieve the specified technical result, in contrast to the known method, registration of the reflected signal intensity is used when tuning the frequency of the probe radiation in the range Δf, determined by the necessary spatial resolution along the sounding direction

и с шагом по частоте df, определяемым однозначностью интерпретации глубины зондированияand with a step in frequency df determined by the uniqueness of interpretation of the sounding depth

где l - пространственное разрешение, L - глубина зондирования, с - скорость света в вакууме.where l is the spatial resolution, L is the sounding depth, and s is the speed of light in vacuum.

Предлагаемый способ иллюстрируется фиг.1 - 3. На фиг.1 представлена схема распространения зондирующего излучения. Зондирующее излучение с амплитудой А₀ падает на границу раздела сред 2, на которой часть излучения отражается с амплитудой A₁, а другая часть проходит через границу и, отражаясь от обеих поверхностей объекта 1, возвращается через границу 2 с амплитудами А₂ и А₃. Результирующее электромагнитное поле, отраженное от границы 2 и от объекта 1, равно векторной сумме трех волн с амплитудами A₁, А₂, А₃и с фазами, определяемыми электрической длиной путей, пройденных этими волнами. Частотная зависимость интенсивности результирующего электромагнитного поля содержит, как минимум, три гармонические компоненты с периодами по частоте, равными (при углах преломления близких к нулю):The proposed method is illustrated in figures 1 to 3. Figure 1 shows the propagation pattern of probe radiation. The probe radiation with amplitude A ₀ falls on the interface 2, on which part of the radiation is reflected with amplitude A ₁ and the other part passes through the boundary and, reflected from both surfaces of object 1, returns through boundary 2 with amplitudes A ₂ and A ₃ . The resulting electromagnetic field reflected from the boundary 2 and from the object 1 is equal to the vector sum of three waves with amplitudes A ₁ , A ₂ , A ₃ and with phases determined by the electric length of the paths traveled by these waves. The frequency dependence of the intensity of the resulting electromagnetic field contains at least three harmonic components with periods in frequency equal to (at refraction angles close to zero):

где с - скорость света в вакууме, l_m - расстояние от границы раздела сред 2 до первой поверхности объекта, l_ob - расстояние между первой и второй поверхностями объекта, ε_m' - вещественная часть относительной диэлектрической проницаемости конденсированной среды, ε_ob' - вещественная часть относительной диэлектрической проницаемости объекта,

- электрическая длина объекта,

- электрическая глубина расположения объекта.where c is the speed of light in vacuum, l _m is the distance from the interface 2 to the first surface of the object, l _ob is the distance between the first and second surfaces of the object, ε _m 'is the real part of the relative permittivity of the condensed medium, ε _ob ' is the real part of the relative dielectric constant of the object,

is the electrical length of the object,

- electrical depth of the location of the object.

Таким образом, спектр частотной зависимости интенсивности отраженного сигнала должен содержать три компоненты, положение которых определяется электрической длиной объекта в направлении зондирования и электрической глубиной его расположения в среде. В качестве критерия идентификации объекта предлагается использовать значение функции корреляции между спектром частотной зависимости интенсивности измеренного отраженного сигнала и модельным спектром, сформированным согласно формулам 3-5 при варьировании двух параметров (для случая идентификации неизвестного объекта) - электрической длины объекта и электрической глубины его расположения в среде, или одного параметра (для случая известного объекта) - электрической глубины расположения. Значение функции корреляции берется при значении аргумента, равном нулю.Thus, the spectrum of the frequency dependence of the intensity of the reflected signal should contain three components, the position of which is determined by the electric length of the object in the direction of sounding and the electric depth of its location in the medium. As a criterion for identifying an object, it is proposed to use the value of the correlation function between the spectrum of the frequency dependence of the intensity of the measured reflected signal and the model spectrum formed according to formulas 3-5 by varying two parameters (for the case of identification of an unknown object) - the electric length of the object and the electric depth of its location in the medium , or one parameter (for the case of a known object) - the electrical depth of the location. The value of the correlation function is taken with the argument value equal to zero.

На фиг.2 представлен нормированный на максимальное значение спектр частотной зависимости интенсивности результирующего отраженного электромагнитного поля при зондировании конденсированной среды (речной песок при весовой влажности 0,2%) с расположенным в ней на электрической глубине 95 мм цилиндром (диаметр цилиндра 70 мм) из фторопласта (ε_оb'=2.1) с электрической длиной в направлении зондирования 57 мм. Зондирование произведено в интервале изменения частоты от 17 ГГц до 25 ГГц и с шагом изменения частоты 22 МГц (пространственное разрешение в направлении зондирования l=c/2Δf=19 мм, длина однозначной интерпретации глубины зондирования L=c/2df=6800 мм). По горизонтальной оси отложена электрическая длина l_е в миллиметрах, связанная с частотой в преобразовании Фурье по формулеFigure 2 presents the spectrum of the frequency dependence of the intensity of the resulting reflected electromagnetic field normalized to the maximum value when probing a condensed medium (river sand at a moisture content of 0.2%) with a fluoroplastic cylinder located at an electric depth of 95 mm (cylinder diameter 70 mm) (ε _оb '= 2.1) with an electric length in the direction of sounding of 57 mm. The sounding was performed in the frequency range from 17 GHz to 25 GHz and with a frequency step of 22 MHz (spatial resolution in the sounding direction l = c / 2Δf = 19 mm, the length of the unambiguous interpretation of the sounding depth is L = c / 2df = 6800 mm). The horizontal axis represents the electric length l _e in millimeters associated with the frequency in the Fourier transform according to the formula

где с - скорость света в вакууме, ω - циклическая частота в преобразовании Фурье. Зондирование производилось с помощью панорамного измерителя с двухпозиционным расположением передающей и приемной рупорных антенн. Эффективность предлагаемого способа идентификации может быть проиллюстрирована на примере наиболее простого случая - идентификации объекта с известной электрической длиной в направлении зондирования (в данном случае - 57 мм). На фиг.3 представлены два случая: функции корреляции спектра измеренного сигнала (см. фиг.2) и модельных спектров при вариации глубины расположения фторопластового цилиндра с известной электрической длиной 57 мм (фиг.3,а) и функции корреляции того же спектра измеренного сигнала и модельных спектров, сформированных при учете отражения только от границы раздела сред и от первой границы цилиндра (фиг.3,б), что в рамках модели эквивалентно металлическому объекту (А₃=0, фиг.1). Шаг вариации глубины расположения объекта составляет 10 мм, то есть величину ~ 1/2l. Значения варьируемой глубины расположения объекта приведены на графиках и составляют 75 мм, 85 мм и 95 мм. Правильный выбор значения глубины расположения объекта в среде соответствует максимальному значению функции корреляции при значении аргумента (сдвиг электрической длины), равном нулю. На фиг.3,б максимальное значение 0,7 функция корреляции достигает при значении глубины, равном 95 мм, что свидетельствует о том, что в зондируемой среде существует отражающая поверхность, расположенная на глубине 95 мм. Наличие боковых максимумов на приведенных кривых фиг.3,б говорит о том, что спектр измеренного сигнала содержит более одной гармонической компоненты. На фиг.3,а приведены функции корреляции для тех же значений глубины расположения объекта, но уже при учете того, что электрическая длина объекта (диэлектрический фторопластовый цилиндр) равна 57 мм. На данном графике видно, что максимальное значение функции корреляции равно 0,97 (при сдвиге электрической длины, равном нулю). Из сравнения фиг.3,а и фиг.3,б следует, что, во-первых, в зондируемой среде находится диэлектрик (корреляция 0,97), а не металл (корреляция 0,7) и, во-вторых, что максимальное значение корреляции достигается при условии, что модельный спектр сформирован для фторопластового цилиндра с

мм, расположенного на глубине 95 мм, что соответствует условиям эксперимента.where c is the speed of light in vacuum, ω is the cyclic frequency in the Fourier transform. Sounding was carried out using a panoramic meter with a two-position arrangement of the transmitting and receiving horn antennas. The effectiveness of the proposed identification method can be illustrated by the example of the simplest case - the identification of an object with a known electric length in the direction of sounding (in this case, 57 mm). Figure 3 presents two cases: the correlation function of the spectrum of the measured signal (see Fig. 2) and model spectra when varying the depth of the fluoroplastic cylinder with a known electric length of 57 mm (Fig. 3, a) and the correlation function of the same spectrum of the measured signal and model spectra formed by taking into account reflection only from the interface of the media and from the first boundary of the cylinder (Fig. 3, b), which is equivalent to a metal object in the framework of the model (A ₃ = 0, Fig. 1). The step of variation of the depth of the object is 10 mm, that is, the value of ~ 1 / 2l. The values of the variable depth of the object are shown in the graphs and are 75 mm, 85 mm and 95 mm. The correct choice of the depth value of the location of the object in the medium corresponds to the maximum value of the correlation function with the value of the argument (shift of the electric length) equal to zero. In Fig.3, b, the maximum value of 0.7, the correlation function reaches at a depth value of 95 mm, which indicates that in the probed medium there is a reflecting surface located at a depth of 95 mm. The presence of lateral maxima in the curves of FIGS. 3, b indicates that the spectrum of the measured signal contains more than one harmonic component. Figure 3a shows the correlation functions for the same values of the depth of the object, but already taking into account the fact that the electric length of the object (dielectric fluoroplastic cylinder) is 57 mm. This graph shows that the maximum value of the correlation function is 0.97 (with a shift of the electric length equal to zero). From a comparison of FIG. 3, a and FIG. 3, b, it follows that, firstly, in the probed medium there is a dielectric (correlation 0.97), and not metal (correlation 0.7) and, secondly, that the maximum the correlation value is achieved provided that the model spectrum is formed for a fluoroplastic cylinder with

mm, located at a depth of 95 mm, which corresponds to the experimental conditions.

Из фиг.3,а и фиг.3,б также следует, что погрешность определения искомого параметра меньше 10 мм.From figure 3, a and figure 3, b also follows that the error in determining the desired parameter is less than 10 mm

В общем случае неизвестной электрической длины объекта и неизвестной глубины его расположения в среде ищется максимальное значение корреляции при варьировании двух параметров модельных спектров: электрической длины объекта и электрической глубины его расположения.In the general case of the unknown electric length of the object and the unknown depth of its location in the medium, the maximum correlation value is sought when varying two parameters of the model spectra: the electric length of the object and the electric depth of its location.

Данный способ не зависит от фазово-частотных характеристик аппаратуры, не требует фазовых измерений и может быть применен на стандартной аппаратуре. Способ был опробован в трех частотных диапазонах: 5-8 ГГц, 8-12 ГГц, 17-25 ГГц. В зависимости от частотного диапазона и характеристик используемой аппаратуры способ может применяться при зондировании как сред с малым поглощением, так и сред с существенным поглощением, например почв.This method does not depend on the phase-frequency characteristics of the equipment, does not require phase measurements and can be used on standard equipment. The method was tested in three frequency ranges: 5-8 GHz, 8-12 GHz, 17-25 GHz. Depending on the frequency range and characteristics of the equipment used, the method can be used for probing both media with low absorption and media with significant absorption, for example, soils.

Claims

A method for identifying dielectric objects, including subsurface sounding of the medium by frequency-modulated continuous microwave radiation and registration of the reflected signal, characterized in that the frequency tuning is carried out in the range Δf, determined by the necessary spatial resolution in the direction of sounding and calculated by the formula

where l is the spatial resolution;

C is the speed of light in vacuum,

and registration of the reflected signal is performed at frequencies with a step df selected depending on the sounding depth and calculated by the formula

df <c / 2L,

where L is the sounding depth;

C is the speed of light in vacuum,

and for the object identification criterion, the correlation value of the spectrum of the frequency dependence of the intensity of the reflected signal and the spectrum of the model signal is taken.