RU2039352C1 - Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды - Google Patents
Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды Download PDFInfo
- Publication number
- RU2039352C1 RU2039352C1 SU5039158A RU2039352C1 RU 2039352 C1 RU2039352 C1 RU 2039352C1 SU 5039158 A SU5039158 A SU 5039158A RU 2039352 C1 RU2039352 C1 RU 2039352C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signals
- layers
- reception
- peak
- thicknesses
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Использование: для измерения характеристик слоистых сред и может использоваться для поверхностного зондирования, диагностики и неразрушающего контроля. Сущность изобретения: способ измерения толщин и диэлектрических проницаемостей слоев многослойных сред заключается в том, что в сторону многослойной среды излучают N когерентных зондирующих сигналов на N частотах, принимают в секторе углов N зондирующих сигналов, отраженных от многослойной среды, производят преобразование принятых сигналов в временную область, выделяют пиковые временные составляющие во временном спектре, измеряют времена выделенных пиковых временных составляющих и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев в соответствии с расчетными формулами, причем предполагается, что углы приема сигналов отраженных многослойной средой, известны. 4 ил.
Description
Изобретение относится к измерению характеристик слоистых сред и может быть использовано для подповерхностного зондирования, диагностики и неразрушающего контроля.
Известен способ зондирования слоистых сред, в котором используются импульсные зондирующие сигналы. В этом способе толщины слоев могут определяться по временной задержке сигналов, отраженных от границ раздела слоев. В этом случае измеряемые задержки отраженных сигналов определяются как толщинами слоев, так и их диэлектрическими проницаемостями и точности измерения толщин/диэлектрических проницаемостей слоев зависят от того, насколько точно известны диэлектрические проницаемости/толщины слоев. Если толщины, либо диэлектрические проницаемости не известны, то измерение диэлектрических проницаемостей, а следовательно, и толщин слоев, с использованием этого метода, может быть выполнено, если измеряются амплитуды принятых сигналов. Определение по измеренным амплитудам сигналов коэффициентов отражений на границах раздела сред и затуханий сигналов в слоях позволяет рассчитать диэлектрические проницаемости и толщины слоев. Недостатком данного способа является то, что неточное измерение амплитуд принимаемых сигналов, из-за разных факторов, непосредственно влияет на точность измерения диэлектрических пpоницаемос-тей и толщин слоев.
Наиболее близким техническим решением является способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды, 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 временных (сачтотных) составляющих во временном спектре, измерении частот выделенных пиковых 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.
Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе зондирование слоистой среды производится в секторе углов и отраженные сигналы принимаются в секторе углов. Знание углов приема отраженных сигналов и измеренные времена (cачтоты) выделенных пиковых составляющих позволяют рассчитать диэлектрические проницаемости и толщины слоев.
Предлагаемый способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды заключается в том, что в сторону многослойной среды излучают N когерентных сигналов на N частотах, принимают N сигналов, отраженных от многослойной среды, производят временную (cачтотную) фильтрацию N принятых сигналов, выделяют пиковые временные (cачтотные) составляющие во временном (cачтотном) спектре, измеряют времена выделенных пиковых составляющих и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев. Предлагаемый способ отличается тем, что сигналы излучают и принимают в секторе углов и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев в соответствии с другими расчетными формулами, приводимыми ниже.
На фиг. 1 показана схема излучения, распространения и приема сигналов; на фиг. 2 характерные временные спектры принятого сигнала, полученные на модели; на фиг. 3 схема устройства, реализующего способ; на фиг. 4 блок-схема алгоритма выделения пиковых составляющих во временном спектре.
При расположении передающего и приемного устройств вблизи поверхности многослойной среды (см. фиг. 1), отраженные от границ раздела сред сигналы принимаются под разными углами. Покажем, что измерение cачтот пиковых составляющих во временном (cачтотном спектре) кепстре и знание углов приема сигналов, отраженных от разных границ раздела сред, позволяют определить диэлектрические проницаемости и толщины слоев.
Под временной фильтрацией понимается операция обратного преобразования Фурье от частотной зависимости принятого суммарного сигнала. Под cачтотной фильтрацией понимается определение кепстра с помощью авторегрессионного анализа, по корреляционному и автокорреляционному алгоритмам, либо другими методами.
В соответствии с фиг. 1 можно записать следующую систему уравнений:
(1) где Δl1 ,
h1 и h2 высоты размещения над поверхностью слоистой среды передатчика и приемника соответственно;
εр диэлектрическая проницаемость р-го слоя;
θпадр (i) угол падения излучения на р+1 слой при i-м пути распространения сигнала;
Δ lp толщина р-го слоя;
ti cачтота i-й пиковой составляющей во временном спектре/кепcтре, обусловленная отражением сигнала от границы раздела i-го и i+1-го слоев;
d проекция на повеpхность расстояния между передатчиком и приемником;
С скорость света.
(1) где Δl1 ,
h1 и h2 высоты размещения над поверхностью слоистой среды передатчика и приемника соответственно;
εр диэлектрическая проницаемость р-го слоя;
θпадр (i) угол падения излучения на р+1 слой при i-м пути распространения сигнала;
Δ lp толщина р-го слоя;
ti cачтота i-й пиковой составляющей во временном спектре/кепcтре, обусловленная отражением сигнала от границы раздела i-го и i+1-го слоев;
d проекция на повеpхность расстояния между передатчиком и приемником;
С скорость света.
Преобразуем систему уравнений (1)
(2)
После подстановки Δ l2 из второго уравнения системы уравнений (2) в первое уравнение системы уравнений (2), получим:
t2 + (3)
Отсюда
sin= (4)
Подставив выражение (4) в первое уравнение системы (1), получим
ε2
(5)
Определим Δ l2 из второго уравнения системы уравнений (1)
Δl2=t2 (6)
Рассмотрим случай зондирования двухслойной подповерхностной структуры. Запишем систему уравнений для этого случая
(7)
Преобразуем систему уравнений (7)
(8)
Из системы уравнений (8) получим
(9)
Откуда
sin= (10)
Тогда ε3 и Δ l3 определяются следующими формулами:
ε3 (11)
Δl3= t3 + (12)
В общем случае для слоистой среды формулы для определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев запишутся в следующем виде:
εi , (13)
Δli=ti , (14) где i номер слоя.
(2)
После подстановки Δ l2 из второго уравнения системы уравнений (2) в первое уравнение системы уравнений (2), получим:
t2 + (3)
Отсюда
sin= (4)
Подставив выражение (4) в первое уравнение системы (1), получим
ε2
(5)
Определим Δ l2 из второго уравнения системы уравнений (1)
Δl2=t2 (6)
Рассмотрим случай зондирования двухслойной подповерхностной структуры. Запишем систему уравнений для этого случая
(7)
Преобразуем систему уравнений (7)
(8)
Из системы уравнений (8) получим
(9)
Откуда
sin= (10)
Тогда ε3 и Δ l3 определяются следующими формулами:
ε3 (11)
Δl3= t3 + (12)
В общем случае для слоистой среды формулы для определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев запишутся в следующем виде:
εi , (13)
Δli=ti , (14) где i номер слоя.
Учитывая, что cos= и tg получим
εi (15)
Поскольку cos ,то
Δli= ti (16)
Как видно из формул (15) и (16), зная углы приема θпад1 (i)сигналов, распространяемых по i-м путям (см. фиг. 1) и соответствующих отражениям от поверхности и границ раздела слов, а также измерив cач-тоты ti пиковых составляющих в полученном временном спектре/кепстре при известных величинах ε1,Δ l1 и d можно последовательно рассчитать диэлектрические проницаемости и толщины всех слоев.
εi (15)
Поскольку cos ,то
Δli= ti (16)
Как видно из формул (15) и (16), зная углы приема θпад1 (i)сигналов, распространяемых по i-м путям (см. фиг. 1) и соответствующих отражениям от поверхности и границ раздела слов, а также измерив cач-тоты ti пиковых составляющих в полученном временном спектре/кепстре при известных величинах ε1,Δ l1 и d можно последовательно рассчитать диэлектрические проницаемости и толщины всех слоев.
Углы приема θпад1 (i) могут быть измерены посредством углового сканирования с помощью фокусируемой антенны. В качестве фокусируемой антенны может использоваться, например, антенная решетка, в которой фокусирование в ближней зоне осуществляется с использованием сферического распределения фазы по раскрыву антенны с целью уравнивания электрических путей от каждого вибратора антенной решетки до точки, в которую осуществляется фокусировка.
Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, схема которого показана на фиг.3.
Устройство работает следующим образом. Передающее устройство 1 формирует N зондирующих сигналов на N частотах. Причем частоты зондирующих сигналов выбираются в диапазоне частот Δ f ( в частном случае эквидистантно). Диапазон частот Δ f выбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемое разрешение по глубине, определяемое примерно величиной Сформированные зондирующие сигналы с помощью передающей антенны 2 излучаются в сторону многослойной среды 3. Предполагается, что зондируемые слои параллельны и шероховатости поверхности слоистой среды и границ раздела слоев невелики по сравнению с длинами волн зондирующих сигналов. Отраженные от поверхности и границ раздела слоев зондирующие сигналы на N частотах принимаются приемной антенной 4 и поступают на приемное устройство 5. С выхода приемного устройства 5 квадратурные составляющие, полученные для каждого из n зондирующих сигналов поступают в цифровом виде в процессор 7 быстрого преобразования Фурье, в котором формируются сигналы S1,Sn, соответствующие амплитудам составляющих временного спектра/кепстра. Сигналы S1.Sn поступают в вычислительное устройство 7, в котором из поступающих сигналов выделяются сигналы, превысившие пороговый уровень, измеряются времена/cачтоты выделенных сигналов и производится расчет εi и Δ li в соответствии с формулами (15) и (16).
Синхронизатор 8 осуществляет синхронизацию работы передатчика 1, приемного устройства 5, процессора быстрого преобразования Фурье 6 и вычислительного устройства 7. Блок-схема обработки сигналов в вычислительном устройстве 7 приведена на фиг. 4 На выходе блока сравнения сигналов с пороговым уровнем 9 формируются, в зависимости от превышений порога, нулевые или единичные сигналы для всех времен-ных / cачтотных фильтров в порядке возрастания номеров. Блоки определения cачтот (номеров cачтотных фильтров) 10 в зависимости от уровня (0 или 1) входных сигналов определяют в порядке возрастания cачтоты ( номера cачтотных фильтров) пиковых cач-тотных составляющих. Блок суммирования 11 определяет количество пиковых cачтот-ных составляющих. В блоке формульного расчета 12 определяются значения εi и Δ li, при этом используется информация об углах θпад1 (i) хранящаяся в ПЗУ 13.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет производить измерения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев без определения коэффициентов отражений сигналов от границ раздела слоев и без определения затуханий сигналов в слоях. Кроме того, преимуществом предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом является то, что оно позволяет определять диэлектрические проницаемости и толщины слоев при размещении передатчика и приемника на небольших высотах над зондируемой многослойной средой или при их размещении на поверхности, тогда как прототип не позволяет измерять указанные величины этих случаях, что обусловлено тем, что при этом нарушаются предположения, принятые при выводе расчетных формул. В сравнении с другими методами предлагаемый способ дает преимущества, когда неточно измеряются амплитуды принятых сигналов.
Claims (1)
- СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОНИЦАЕМОСТЕЙ И ТОЛЩИН СЛОЕВ МНОГОСЛОЙНОЙ СРЕДЫ, заключающийся в том, что многослойную среду зондируют N когерентными сигналами на N частотах, принимают N сигналов, отраженных от многослойной среды, 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 зондирование и прием осуществляют в секторе углов, а диэлектрические проницаемости и толщины слоев определяют по формулам
где i номер слоев;
εi, εp диэлектрическая проницаемость i- и p-го слоев;
ε1 диэлектрическая проницаемость среды, с которой осуществляется зондирование и прием сигналов;
Δli толщина i-го слоя;
где h1, h2 высоты от границы раздела первого и второго слоев до мест, откуда производится зондирование и места приема сигналов соответственно;
θ
c скорость света;
ti частота i-й пиковой составляющей временного спектра, соответствующей отражению сигнала от границы раздела i- и i+1-го слоев;
d проекция на зондируемую поверхность расстояния между местом, откуда производится зондирование, и местом приема сигналов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5039158 RU2039352C1 (ru) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5039158 RU2039352C1 (ru) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2039352C1 true RU2039352C1 (ru) | 1995-07-09 |
Family
ID=21602713
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5039158 RU2039352C1 (ru) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2039352C1 (ru) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2408005C1 (ru) * | 2009-11-26 | 2010-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр прикладной физики" (ООО "НТЦ ПФ") | Способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта |
RU2563581C1 (ru) * | 2014-07-15 | 2015-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью "АПСТЕК Лабс" | Способ дистанционного определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта |
RU2629911C1 (ru) * | 2016-08-16 | 2017-09-04 | Общество с ограниченной ответственностью "АПСТЕК Лабс" | Способ дистанционного определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта |
RU2694110C1 (ru) * | 2018-08-10 | 2019-07-09 | 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 диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий на металле в диапазоне СВЧ |
CN111398687A (zh) * | 2020-03-06 | 2020-07-10 | 浙江省交通运输科学研究院 | 一种预估沥青路面介电常数的试验方法 |
RU2735312C1 (ru) * | 2019-09-30 | 2020-10-29 | Александр Николаевич Дубовицкий | Способ измерения параметров слоев дорожной одежды |
-
1992
- 1992-04-30 RU SU5039158 patent/RU2039352C1/ru active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Дефектоскопия, N 9, 1984, с.19-28. * |
Финкильштейн М.И. и др. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. М.: Недра, 1986, с.42-44, 64-67. * |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2408005C1 (ru) * | 2009-11-26 | 2010-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр прикладной физики" (ООО "НТЦ ПФ") | Способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта |
WO2011065868A1 (ru) | 2009-11-26 | 2011-06-03 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Технический Центр Прикладной Физики" | Способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта |
US8228374B2 (en) | 2009-11-26 | 2012-07-24 | Apstec Systems | Method to determine dielectric permeability of dielectric object |
CN102630300A (zh) * | 2009-11-26 | 2012-08-08 | 应用物理学科技中心有限责任公司 | 确定电介质物体的电介质介电常数的方法 |
CN102630300B (zh) * | 2009-11-26 | 2014-11-26 | 阿普斯泰克系统有限公司 | 确定电介质物体的电介质介电常数的方法 |
RU2563581C1 (ru) * | 2014-07-15 | 2015-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью "АПСТЕК Лабс" | Способ дистанционного определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта |
RU2629911C1 (ru) * | 2016-08-16 | 2017-09-04 | Общество с ограниченной ответственностью "АПСТЕК Лабс" | Способ дистанционного определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта |
RU2694110C1 (ru) * | 2018-08-10 | 2019-07-09 | 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 диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий на металле в диапазоне СВЧ |
RU2735312C1 (ru) * | 2019-09-30 | 2020-10-29 | Александр Николаевич Дубовицкий | Способ измерения параметров слоев дорожной одежды |
CN111398687A (zh) * | 2020-03-06 | 2020-07-10 | 浙江省交通运输科学研究院 | 一种预估沥青路面介电常数的试验方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jackson et al. | Time-of-flight measurement techniques for airborne ultrasonic ranging | |
Schock et al. | Chirp subbottom profiler for quantitative sediment analysis | |
US6002357A (en) | System for and method of determining the location of an object in a medium | |
US7317659B2 (en) | Measurement of air characteristics in the lower atmosphere | |
EP1443856B1 (en) | Blood flow velocity measurement | |
EP0751743B1 (fr) | Procede et dispositif d'evaluation et de caracterisation des proprietes des os | |
US11391863B2 (en) | Method of free-field broadband calibration of hydrophone sensitivity based on pink noise | |
US20070058488A1 (en) | Sonar system and process | |
CA2402275C (en) | Acoustic sounding | |
Kartashov et al. | Principles of construction and assessment of technical characteristics of multi-frequency atmospheric sodar in the humidity measurement mode | |
US5420827A (en) | Passive multipath target range and depth estimation using a variable depth sonar | |
Lasaygues et al. | Accuracy of coded excitation methods for measuring the time of flight: Application to ultrasonic characterization of wood samples | |
RU2039352C1 (ru) | Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды | |
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 | |
Hines et al. | Time-of-flight measurements of acoustic wave speed in a sandy sediment at 0.6–20 kHz | |
Li et al. | Geoacoustic inversion by matched-field processing combined with vertical reflection coefficients and vertical correlation | |
US7289388B2 (en) | Estimation of background noise and its effect on sonar range estimation | |
Choi et al. | Measurement and simulation of the channel intensity impulse response for a site in the East China Sea | |
Durofchalk et al. | Analysis of the ray-based blind deconvolution algorithm for shipping sources | |
Zheng et al. | Geoacoustic inversion using an autonomous underwater vehicle in conjunction with distributed sensors | |
Yang et al. | Subbottom profiling using a ship towed line array and geoacoustic inversion | |
RU2037810C1 (ru) | Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды | |
Leetang et al. | Evaluation of ultrasonic target detection by alternate transmission of different codes in M-sequence pulse compression | |
RU2697937C1 (ru) | Гидролокационный способ обнаружения объекта и измерения его параметров | |
USH2112H1 (en) | Method for measuring coating thickness using ultrasonic spectral tracking |