RU2037810C1 - Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды - Google Patents

Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды

Info

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
Application number
Other languages
English (en)
Inventor
Р.З. Агзамов
А.В. Павлов
Э.И. Шустов
Original Assignee
Научно-исследовательский центр "Резонанс"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский центр "Резонанс" filed Critical Научно-исследовательский центр "Резонанс"
Priority to SU5030110 priority Critical patent/RU2037810C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2037810C1 publication Critical patent/RU2037810C1/ru

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)
Figure 00000001
Figure 00000002
ln
Figure 00000003
S(ω)
Figure 00000004
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.
Набег фазы сигнала при его распространении в слое (в обе стороны) определяется формулой:
Ψ 2πf·Re
Figure 00000005
l βΔl, (2) где f рабочая частота;
Figure 00000006
- комплексная диэлектрическая проницаемость;
Figure 00000007
- 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
Figure 00000008
, (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
Figure 00000009
/c (i номер слоя) или произведения 2·Δl
Figure 00000010
/c в случае когда слои диэлектрические.
Частота импульса, обусловленного отражением сигналов от верхнего слоя слоистой структуры при вертикально зондировании, определяется формулой
t1=
Figure 00000011
, (4) где h средняя высота приемного и передающего устройств над поверхностью.
Частота i-го импульса определяется формулой
ti=
Figure 00000012
(h+
Figure 00000013
l++
Figure 00000014
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:
Figure 00000015
Figure 00000016
Figure 00000017
(6) В соответствии с законом Снелля имеем:
Figure 00000018
Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000021
(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′
Figure 00000022
средняя высота размещения передатчика и приемника при зондировании под углом θ'
Figure 00000023
;
h″
Figure 00000024
средняя высотаразмещения передатчика и приемника при зондировании под углом θ''
Figure 00000025
.
ε1, ε2 диэлектрические проницаемости первого и второго слоев.
Δ l1, Δ l2 толщины первого и второго слоев.
θ'
Figure 00000026
, θ''
Figure 00000027
, θ'
Figure 00000028
, θ''
Figure 00000029
, θ'
Figure 00000030
, θ''
Figure 00000031
углы падения и преломления в соответствии с фиг.4.
Используя уравнения (6) и (7), а также введя обозначения
α1=
Figure 00000032
α2=
Figure 00000033
,
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'
Figure 00000034
, y'2 θ'
Figure 00000035
, y1'' θ''
Figure 00000036
y2'' θ''
Figure 00000037
, b1
sin θ'
Figure 00000038
b2 sin θ''
Figure 00000039
запишем систему уравнений:
Figure 00000040
Figure 00000041
Figure 00000042
Figure 00000043
Figure 00000044
Figure 00000045
(8)
Преобразуем систему уравнений (8)
Figure 00000046
Figure 00000047
Figure 00000048
Figure 00000049
(9)
Поскольку X1=
Figure 00000050
cosy
Figure 00000051
и cosy
Figure 00000052
Figure 00000053
cosy
Figure 00000054
сделаем следующие преобразования:
Figure 00000055
Figure 00000056

b
Figure 00000057
1-
Figure 00000058
b
Figure 00000059
1-
Figure 00000060

b 2 1 -
Figure 00000061
·x 2 2 b 2 2 +
Figure 00000062
·x 2 2 0
x2=
Figure 00000063

Figure 00000064
Figure 00000065

b 2 2 (1-cos2y
Figure 00000066
) b
Figure 00000067
1-
Figure 00000068
cosy
Figure 00000069

-b 2 2 +b 2 2 cos2y
Figure 00000070
+b 2 1 -
Figure 00000071
· cos2y
Figure 00000072
0
cos2y
Figure 00000073
Figure 00000074

x1=
Figure 00000075
Figure 00000076

Таким образом:
Δl1=
Figure 00000077

Δl2=
Figure 00000078

Можно показать, что для случая многослойной среды справедлива следующая формула:
Δli=
Figure 00000079
(10) где i номер слоя.
Перепишем систему уравнений (8) в другом виде
Figure 00000080
Figure 00000081
(11)
Найдем выражения для определения
cosy
Figure 00000082
Figure 00000083
· cosy
Figure 00000084

Figure 00000085
Figure 00000086

b
Figure 00000087
1-
Figure 00000088
cos2y
Figure 00000089
b 2 2 sin2y
Figure 00000090

b 2 1 -b
Figure 00000091
+b
Figure 00000092
sin2y
Figure 00000093
b 2 2 sin2y
Figure 00000094

sin2y
Figure 00000095
b 2 2 -
Figure 00000096
b
Figure 00000097
1-
Figure 00000098

sin2y
Figure 00000099
Figure 00000100

ε1=
Figure 00000101
Figure 00000102

Найдем выражение для определения ε2. Из системы уравнений (11) имеем:
siny
Figure 00000103
Figure 00000104
siny
Figure 00000105

cosy
Figure 00000106
Figure 00000107
cosy
Figure 00000108
тогда
Figure 00000109
Figure 00000110
После возведения последнего уравнения в квадрат, получим:
b
Figure 00000111
1-
Figure 00000112
b 2 2 sin2y
Figure 00000113

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
Figure 00000114
Figure 00000115

ε2=
Figure 00000116
Figure 00000117

Можно показать, что для случая многослойной среды справедлива следующая формула:
εi=
Figure 00000118
(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)

  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
    Figure 00000119

    Figure 00000120

    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;
    Figure 00000121
    частоты пиковых составляющих первого кепстра, соответствующего первому углу падения зондирующих сигналов;
    Figure 00000122
    частоты пиковых составляющих второго кепстра, соответствующего второму углу падения зондирующих сигналов.
SU5030110 1992-02-05 1992-02-05 Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды RU2037810C1 (ru)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
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
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
Mashoshin Study of the applicability conditions of the correlation function of a wideband multipath signal for estimating source coordinates
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
RU2813634C1 (ru) Способ обнаружения звукорассеивающих слоев в морях и океанах
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