RU2037810C1 - Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды - Google Patents
Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной средыInfo
- Publication number
- RU2037810C1 RU2037810C1 SU5030110A RU2037810C1 RU 2037810 C1 RU2037810 C1 RU 2037810C1 SU 5030110 A SU5030110 A SU 5030110A RU 2037810 C1 RU2037810 C1 RU 2037810C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- angle
- signals
- incidence
- frequency
- frequencies
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Использование: в области измерения характеристик слоистых сред, для поверхностного зондирования слоистых структур земли, измерения характеристик слоистых покрытий. Сущность изобретения: способ измерения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды заключается в том, что в сторону многослойной среды под первым углом падения излучают n когорентных зондирующих сигналов на n частотах, принимают n первых зондирующих сигналов, отраженных от многослойной среды под углом, равным первому углу падения, производят преобразование во временную область принятых сигналов, выделяют пиковые временные составляющие во временном кепстре (измеряют времена выделенных пиковых составляющих первого кепстра), дополнительно в сторону многослойной среды под вторым углом падения излучают M вторых когерентных зондирующих сигналов на M частотах. Принимают M вторых зондирующих сигналов отраженных от многослойной среды под углом, равным второму углу падения, производят сачтотную фильтрацию вторых M принятых сигоналов, выделяют пиковые сачтотные состовляющие во втором кепстре (сачтотном спектре, измеряют сачтоты выделенных пиковых составляющих второго спектра (сачтотного спектра, по измеренным сачтотам выделенных пиковых составляющих определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев в соответствии с расчетными формулами. 6 ил.
Description
Изобретение относится к измерению характеристик слоистых сред и может быть использовано для подповерхностного зондирования слоистых структур Земли, измерения характеристик слоистых покрытий.
Известен способ зондирования слоистых сред, в котором используются импульсные зондирующие сигналы. В этом способе толщины слоев определяются по временной задержке сигналов, отраженных от границ раздела слоев.
Недостатком этого способа является то, что он не позволяет измерять диэлектрические проницаемости слоев. Неточное знание электродинамических параметров слоев приводит к неточному измерению толщин слоев.
Наиболее близким способом к изобретению является многочастотный способ измерения параметров слоистых сред, заключающийся в излучении в сторону многослойной среды N когерентных сигналов на N частотах, приеме N сигналов, отраженных от многослойной среды, преобразовании принятых сигналов во временную область, выделении пиковых частотных составляющих во временном спектре, измерении частот выделенных пиковых частотных составляющих и определении диэлектрических проницаемостей и толщин слоев в соответствии с расчетными формулами.
Недостатком этого способа является низкая точность измерения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев.
Целью предложенного способа является повышение точности измерения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев.
Это достигается тем, что в известном способе наряду с N первыми когерентными сигналами на N частотах дополнительно под другим углом падения к многослойной среде излучают М вторых когерентных сигналов на М частотах, принимают М вторых зондирующих сигналов, отраженных от многослойной среды под углом, равным второму углу падения, осуществляют частотную фильтрацию N первых и М вторых принятых сигналов, выделяют пиковые (импульсные) частотные составляющие (обусловленные отражениями зондирующих сигналов от границ раздела слоев) в первом и вторым полученных кепстрах/частотных спектрах. У выделенных импульсных составляющих измеряют частоты (кепстральное время) и после этого по измеренным значениям частот определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев в соответствии с расчетными формулами.
Под частотной фильтрацией понимается операция обратного преобразования Фурье от частотной зависимости принятого суммарного сигнала либо обратное преобразование Фурье от натурального логарифма квадрата амплитудного спектра принятого сигнала в соответствии с формулой [5]
Cs(q) lnS(ω)eiωqdω где Сs(q) кепстр;
q кепстральное время;
S (ω) амплитудный спектр сигнала;
ω частота. А также определение кепстров с помощью авторегрессивного анализа и по ковариационному и автокорреляционному алгоритмам [6]
На фиг.1 показана геометрическая интерпретация принимаемого сигнала; на фиг. 2 типичные частотные зависимости амплитуды и фазы принимаемого сигнала; на фиг. 3 полученный на модели вертикального зондирования двухслойной среды кепстр-частотный спектр принятого сигнала; на фиг.4 схема излучения и приема сигналов в общем случае; на фиг.5 схема устройства, реализующего способ; на фиг. 6 блок схема алгоритма выделения пиковых частотных составляющих, измерения частот и расчета диэлектрических проницаемостей и толщин слоев.
Cs(q) lnS(ω)eiωqdω где Сs(q) кепстр;
q кепстральное время;
S (ω) амплитудный спектр сигнала;
ω частота. А также определение кепстров с помощью авторегрессивного анализа и по ковариационному и автокорреляционному алгоритмам [6]
На фиг.1 показана геометрическая интерпретация принимаемого сигнала; на фиг. 2 типичные частотные зависимости амплитуды и фазы принимаемого сигнала; на фиг. 3 полученный на модели вертикального зондирования двухслойной среды кепстр-частотный спектр принятого сигнала; на фиг.4 схема излучения и приема сигналов в общем случае; на фиг.5 схема устройства, реализующего способ; на фиг. 6 блок схема алгоритма выделения пиковых частотных составляющих, измерения частот и расчета диэлектрических проницаемостей и толщин слоев.
При вертикальном зондировании многослойной среды затухание сигнала в слоях при его распространении в обе стороны в общем случае определяется формулой:
Wзат e - j γ Δ l (1) где Δ l толщина слоя;
γ комплексный коэффициент распространения.
Wзат e - j γ Δ l (1) где Δ l толщина слоя;
γ комплексный коэффициент распространения.
Набег фазы сигнала при его распространении в слое (в обе стороны) определяется формулой:
Ψ 2πf·Rel βΔl, (2) где f рабочая частота;
- комплексная диэлектрическая проницаемость;
- комплексная магнитная проницаемость;
β действительная часть γ.
Ψ 2πf·Rel βΔl, (2) где f рабочая частота;
- комплексная диэлектрическая проницаемость;
- комплексная магнитная проницаемость;
β действительная часть γ.
При изменении частоты излучения сигнала на Δ ω изменение фазы сигнала при его распространении в диэлектрическом слое в обе стороны определяется формулой:
ΔΨ , (3) где с скорость света в вакууме;
ε относительная диэлектрическая проницаемость.
ΔΨ , (3) где с скорость света в вакууме;
ε относительная диэлектрическая проницаемость.
Геометрическое представление суммарного сигнала, получаемого при отражении зондирующего сигнала от трехслойной структуры, показано на фиг.1.
Как видно из фиг.1 при изменении частоты зондирующих сигналов на Δ f формируется модулированный суммарный отраженный сигнал. Причем периоды модуляции определяются изменением набега фаз в каждом слое при изменении частоты. На фиг. 2 приведены характерные частотные зависимости амплитуды и фазы суммарного сигнала (для двухслойной структуры). Кепстральная обработка/частотная фильтрация [5] использующая частотную зависимость комплексного суммарного сигнала позволяет выделить в кепстре/частотном спектре пиковые составляющие, разности частот (кепстральных времен) между которыми в общем случае определяют произведения 2·ΔliRe/c (i номер слоя) или произведения 2·Δl/c в случае когда слои диэлектрические.
Частота импульса, обусловленного отражением сигналов от верхнего слоя слоистой структуры при вертикально зондировании, определяется формулой
t1= , (4) где h средняя высота приемного и передающего устройств над поверхностью.
t1= , (4) где h средняя высота приемного и передающего устройств над поверхностью.
Частота i-го импульса определяется формулой
ti= (h+ l++ li-1) (5)
Характерный вид кепстра/частотного спектра приведен на фиг.3.
ti= (h+ l++ li-1) (5)
Характерный вид кепстра/частотного спектра приведен на фиг.3.
Таким образом, известный способ позволяет определять толщины слоев при известных диэлектрических проницаемостях, либо диэлектрические проницаемости слоев при известных толщинах слоев. Однако известный способ не позволяет одновременно измерять и толщины и диэлектрические проницаемости слоев.
В предлагаемом способе используется дополнительное зондирование слоистой структуры под другим углом. Схема зондирования под двумя углами показана на фиг.4.
В соответствии с фиг.4 для трехслойной структуры можно записать следующие уравнения:
(6) В соответствии с законом Снелля имеем:
(7) где Δ f1 полоса частота N сигналов, излучаемых под первым углом падения;
Δ f2 Δ f1 ˙ K полоса частот М сигналов, излучаемых под вторым углом падения;
h′ средняя высота размещения передатчика и приемника при зондировании под углом θ' ;
h″ средняя высотаразмещения передатчика и приемника при зондировании под углом θ'' .
(6) В соответствии с законом Снелля имеем:
(7) где Δ f1 полоса частота N сигналов, излучаемых под первым углом падения;
Δ f2 Δ f1 ˙ K полоса частот М сигналов, излучаемых под вторым углом падения;
h′ средняя высота размещения передатчика и приемника при зондировании под углом θ' ;
h″ средняя высотаразмещения передатчика и приемника при зондировании под углом θ'' .
ε1, ε2 диэлектрические проницаемости первого и второго слоев.
Δ l1, Δ l2 толщины первого и второго слоев.
Используя уравнения (6) и (7), а также введя обозначения
α1= α2= ,
х1 Δ l1, x2 Δ l2, a'1 t'2-t'1, a1'' (t2''-t1'')/K, a'2 t'3-t'1, a2'' (t3''-t1'')/K, y1'= θ', y'2 θ', y1'' θ'' y2'' θ'', b1
sin θ' b2 sin θ'' запишем систему уравнений:
(8)
Преобразуем систему уравнений (8)
(9)
Поскольку X1= cosy и cosy cosy сделаем следующие преобразования:
b1- b1-
b - ·x b + ·x 0
x2=
b (1-cos2y) b1- cosy
-b +b cos2y+b - · cos2y 0
cos2y
x1=
Таким образом:
Δl1=
Δl2=
Можно показать, что для случая многослойной среды справедлива следующая формула:
Δli= (10) где i номер слоя.
α1= α2= ,
х1 Δ l1, x2 Δ l2, a'1 t'2-t'1, a1'' (t2''-t1'')/K, a'2 t'3-t'1, a2'' (t3''-t1'')/K, y1'= θ', y'2 θ', y1'' θ'' y2'' θ'', b1
sin θ' b2 sin θ'' запишем систему уравнений:
(8)
Преобразуем систему уравнений (8)
(9)
Поскольку X1= cosy и cosy cosy сделаем следующие преобразования:
b1- b1-
b
x2=
b
-b
cos2y
x1=
Таким образом:
Δl1=
Δl2=
Можно показать, что для случая многослойной среды справедлива следующая формула:
Δli= (10) где i номер слоя.
Перепишем систему уравнений (8) в другом виде
(11)
Найдем выражения для определения
cosy · cosy
b1-cos2y b sin2y
b -b+bsin2y b sin2y
sin2yb - b1-
sin2y
ε1=
Найдем выражение для определения ε2. Из системы уравнений (11) имеем:
siny siny
cosy cosy тогда
После возведения последнего уравнения в квадрат, получим:
b1- b sin2y
b1 2(a2'' a1'')2 b1 2 (a2' a1')2 cos2 y2' b2 2(a2'' a1'')2˙ sin2y2' b1 2(a2'' a1'')2 b1 2(a2'-a1')2 + b1 2(a2'- a1')sin2y2' b2 2(a2''
a1'')2 sin2y2'
sin2y
ε2=
Можно показать, что для случая многослойной среды справедлива следующая формула:
εi= (12)
Формулы (10) и (12) позволяют по измеренным частотам выделенных импульсных составляющих кепстров/частотных спектров рассчитывать диэлектрические проницаемости и толщины слоев.
(11)
Найдем выражения для определения
cosy · cosy
b1-cos2y b
b
sin2yb
sin2y
ε1=
Найдем выражение для определения ε2. Из системы уравнений (11) имеем:
siny siny
cosy cosy тогда
После возведения последнего уравнения в квадрат, получим:
b1- b
b1 2(a2'' a1'')2 b1 2 (a2' a1')2 cos2 y2' b2 2(a2'' a1'')2˙ sin2y2' b1 2(a2'' a1'')2 b1 2(a2'-a1')2 + b1 2(a2'- a1')sin2y2' b2 2(a2''
a1'')2 sin2y2'
sin2y
ε2=
Можно показать, что для случая многослойной среды справедлива следующая формула:
εi= (12)
Формулы (10) и (12) позволяют по измеренным частотам выделенных импульсных составляющих кепстров/частотных спектров рассчитывать диэлектрические проницаемости и толщины слоев.
Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, схема которого показана на фиг.5 (один из вариантов реализации).
Устройство работает следующим образом. Передающее устройство 1 формирует N зондирующих сигналов на N частотах в диапазоне Δ f1 и М зондирующих сигналов на М частотах в диапазоне Δ f2, которые излучаются в сторону многослойной среды с помощью передающей антенны 2. Отраженные под первым углом N зондирующих сигналов принимаются приемной антенной 3 и приемным устройством 4, отраженные под вторым углом М зондирующих сигналов принимаются приемной антенной 5 и приемным устройством 6.
С приемного устройства 4 квадратурные составляющие, полученные для каждого из N первых зондирующих сигналов, поступают в процессор 7 быстрого преобразования Фурье, в котором формируются сигналы S1.Sn, соответствующие кепстральным составляющим/составляющим первого чостотного спектра.
С приемного устройства 5 квадратурные составляющие, полученные для каждого из М вторых зондирующих сигналов, поступают в процессор 8 быстрого преобразования Фурье, в котором формируются сигналы U1.Umсоответствующие кепстральным составляющим/составляющим второго частотного спектра. Сигналы S1.Sn и U1.Um поступают в вычислительное устройство 9, в котором из поступающих сигналов выделяются сигналы, превышающие пороговые уровни, измеряются частоты выделенных сигналов и производится расчет εi и Δ li.
Блок-схема алгоритма обработки сигналов в вычислительном устройстве 9 приведена на фиг.6. На выходах блоков сравнения сигналов с пороговыми уровнями формируются в зависимости от превышений порогов нулевые или единичные сигналы для всех частотных фильтров в порядке возрастания номеров. Блоки определения частот (номеров частотных фильтров) в зависимости от уровня (0 или 1) входных сигналов определяют в порядке возрастания частоты (номера частотных фильтров) пиковых частотных составляющих. Блок суммирования определяет количество пиковых частотных составляющих. В блоке формульного расчета определяются значения εi и Δ li.
Claims (1)
- СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОНИЦАЕМОСТЕЙ И ТОЛЩИН СЛОЕВ МНОГОСЛОЙНОЙ СРЕДЫ, заключающийся в том, что многослойную среду зондируют под первым углом падения когерентными сигналами на N частотах, а принимают N сигналов на N частотах, отраженных от многослойной среды под углом, равным первому углу, осуществляют преобразование принятых сигналов во временную область, выделяют пиковые временные составляющие во временном спектре, измеряют времена выделенных пиковых временных составляющих и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев, отличающийся тем, что перед преобразованием принятых сигналов дополнительно осуществляют зондирование многослойной среды когерентными сигналами на M частотах под вторым углом падения, принимают M сигналов на M частотах под углом равным второму углу падения, а диэлектрические проницаемости и толщины слоев определяют по формулам
где θ′ первый угол падения;
θ″ второй угол падения;
K отношение диапазона частот M сигналов, осуществляющих зондирование под вторым углом падения, к диапазону частот N сигналов, осуществляющих зондирование под первым углом падения;
i номер слоя;
c скорость света в вакууме;
частоты пиковых составляющих первого кепстра, соответствующего первому углу падения зондирующих сигналов;
частоты пиковых составляющих второго кепстра, соответствующего второму углу падения зондирующих сигналов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5030110 RU2037810C1 (ru) | 1992-02-05 | 1992-02-05 | Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5030110 RU2037810C1 (ru) | 1992-02-05 | 1992-02-05 | Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2037810C1 true RU2037810C1 (ru) | 1995-06-19 |
Family
ID=21598280
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5030110 RU2037810C1 (ru) | 1992-02-05 | 1992-02-05 | Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2037810C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2750119C1 (ru) * | 2020-10-15 | 2021-06-22 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Способ определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий в диапазоне свч |
RU2750845C1 (ru) * | 2020-10-28 | 2021-07-05 | Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина» | Способ определения диэлектрической проницаемости слоев многослойных материалов |
-
1992
- 1992-02-05 RU SU5030110 patent/RU2037810C1/ru active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Дефектоскопии, N 9, 1984, с.19-28. * |
Финкельштейн М.М. и др. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии, М.: Недра, 1986, с.42-44, 64-67. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2750119C1 (ru) * | 2020-10-15 | 2021-06-22 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Способ определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий в диапазоне свч |
RU2750845C1 (ru) * | 2020-10-28 | 2021-07-05 | Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина» | Способ определения диэлектрической проницаемости слоев многослойных материалов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Schock et al. | Chirp subbottom profiler for quantitative sediment analysis | |
US7330399B2 (en) | Sonar system and process | |
Matsunami | Laboratory tests of excitation and attenuation of coda waves using 2-D models of scattering media | |
CN202832520U (zh) | 在声波测井中消除直达波干扰的系统及声波测井仪 | |
Kartashov et al. | Principles of construction and assessment of technical characteristics of multi-frequency atmospheric sodar in the humidity measurement mode | |
CN202611692U (zh) | 在声波测井中消除直达波干扰的系统及声波测井仪 | |
RU2156984C1 (ru) | Способ получения информации о шумящем в море объекте и способ получения цветовых шкал для него | |
Carey | Measurement of down‐slope sound propagation from a shallow source to a deep ocean receiver | |
CN103362502A (zh) | 在声波测井中消除直达波干扰的方法、系统及声波测井仪 | |
RU2037810C1 (ru) | Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды | |
RU2039352C1 (ru) | Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды | |
RU2623668C1 (ru) | Способ дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан | |
Dodds | Attenuation estimates from high resolution subbottom profiler echoes | |
RU2510608C1 (ru) | Способ измерения толщины льда с подводного носителя | |
US5355312A (en) | Inverse tomography by matched field processing | |
RU2799118C1 (ru) | Способ обработки сигнала шумоизлучения | |
Chapman | Estimation of geoacoustic properties by inversion of acoustic field data | |
RU2801053C1 (ru) | Акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды | |
Chakraborty et al. | Seabottom backscatter studies in the western continental shelf of India | |
RU2723987C1 (ru) | Способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ и устройство для его осуществления | |
Salin et al. | Methods for measuring bistatic characteristics of sound scattering by the ocean bottom and surface | |
RU2111509C1 (ru) | Способ определения параметров рыбных косяков | |
Sewada et al. | Wideband signals for phase differencing sonar systems | |
Fokin et al. | Effect of variability of soil physical properties on clutter and false alarms in land mine detection | |
Wyber et al. | The Spatial Correlation and Structure Function for Propagation Loss Fluctuations |