단계적으로 주파수가 변하는 지하 측심 레이더. 수량. 해결. 특별한 품목을 검색하는 기술적 수단

작업의 관련성

지하 레이더는 공학적 지질학, 수문지질학, 환경, 지질공학 및 행성학적 문제를 해결하는 데 사용되는 다른 지구물리학적 방법 중에서 가장 생산적이고 기술적으로 진보된 것 같습니다. 현재 지상투과레이더의 적용분야는 지속적으로 확대되고 있다. 장비 생산 기술이 향상되고 레이더 데이터 처리를 위한 더욱 강력한 알고리즘과 수단이 등장함에 따라 지상 투과 레이더는 가장 중요한 비파괴 검사 장치 중 하나가 되고 있습니다.

우주 연구에서 이 순간지하 무선 측심은 실제로 결정을 내릴 수 있는 유일한 수단입니다. 내부 구조우주체 주요 문제는 지하 감지 실습에 사용되는 초광대역(UWB) 신호와 초단 펄스의 특수성에 있으며, 이를 수신하고 처리하기 위한 특별한 방법의 개발이 필요합니다. 또한, 지오레이더에 사용되는 주파수 범위는 레이더의 최적 중량에 대한 제한으로 인해 지향성이 높은 안테나의 사용을 허용하지 않습니다. 따라서 장비를 개발할 때 많은 모순된 요소를 고려해야 합니다. 즉, 레이더의 잠재적 성능을 높이면서 무게와 전력 소비를 줄여야 할 필요성; 송신기 전력을 감소시키면서 프로빙 깊이를 증가시키는 것; 주파수 범위의 상한을 늘리지 않고 해상도를 높이는 등 따라서 지상 투과 레이더의 개발과 관련 지하 무선 측심에 대한 실험 계획 및 수행은 적용 및 순수 측면 모두에서 시급한 작업입니다. 과학적 측면연구 환경, 지구와 다른 행성 및 위성 모두에서.

지질 구조를 연구하기 위해 전파를 사용하기 위한 이론적 기초는 1910년 G. Lovi와 G. Leimbach에 의해 마련되었으며, 1912년에는 무선 간섭 방법을 사용하여 광석과 지하수를 검색할 수 있는 가능성을 입증했습니다. 최초의 지상 투과 레이더는 빙하의 두께를 측정하기 위해 1929년 오스트리아에서 제작되었습니다. 레이더는 1934년에 RAdioDetection And Ranging이라는 약어에서 RADAR라는 이름을 얻었습니다.

지하 불균일성으로부터 전자기파 펄스의 반사는 1957년 남극 대륙의 얼음 비행장에서 A. Waite에 의해 우연히 발견되었습니다. 추가 실험에서는 펄스 레이더를 사용하여 표면과 공기 모두에서 얼음의 두께를 확인할 수 있음이 나타났습니다. 이로 인해 얼음뿐만 아니라 물의 하한 경계를 볼 수 있을 뿐만 아니라 토양의 지하 탐사도 가능하다는 가능성을 보여주는 연구로 이어졌습니다.

1960년에 John C. Cook은 레이더를 사용하여 지하 반사를 연구하려고 시도했습니다. 그는 기존의 고주파 충진 레이더 펄스 대신 레이더에 모노펄스 또는 비디오 펄스라고도 불리는 비반송파 펄스를 사용할 것을 제안했습니다. '안테나 충격 여기 방식'이라고 불리는 이 방식에서는 송신 안테나에 전압 강하를 가해 비디오 펄스를 생성한다. 비디오 펄스를 생성하는 이 방법은 여전히 ​​지리 레이더에 사용됩니다. Moffatt와 Puskar는 자신들이 개발한 시스템을 사용하여 지하 터널, 광산 감지, 토양의 기타 변화 기록(예: 습도 변화), 토양 표면 아래 암석 및 암석 형성 감지 등 여러 문제를 해결할 수 있었습니다. .

71967년에는 아폴로 17호의 달 탐사에 사용된 스턴 아이스 레이더와 유사한 지상 투과 레이더 시스템이 만들어졌다.

1976년에 Moffatt와 Puskar는 지상 투과 레이더의 기본 이론과 그 신호 처리의 한 가지 버전을 제시했는데, 이는 지상 투과 레이더 데이터를 처리하고 분석하기 위한 보다 효과적인 방법을 제안한 다른 과학자들에 의해 개발되고 보완되었습니다.

외국 소식통에 따르면 지상투과 레이더는 20세기 70년대부터 주로 군사적 목적, 특히 베트남 지역의 지하 구조물과 터널을 수색하기 위해 널리 사용되기 시작했다. 곧 다양한 회사들이 도시 거리 아래의 지하 유틸리티 및 파이프 매핑, 공극 및 동굴 감지와 같은 실제 요구 사항을 위해 GPR 방법을 사용하는 데 관심을 갖게 되었습니다. 최근까지 일부 유형의 지상 투과 레이더는 항공모함에서 정글과 숲 덮개 아래의 지하 반사를 매핑하는 데 사용되었습니다. 공중 레이더는 고고학자들이 중앙 아메리카의 유카탄 지역과 같은 정글의 넓은 지역을 탐험하는 데 사용되었습니다.

우리나라에서는 무선 주파수 신호를 이용한 전기 탐사 방법을 사용한 최초의 실험 작업이 1925년에 시작되었습니다. A.A. 페트로프스키. 상당한 휴식을 취한 후 1968년 Riga Red Banner Institute of Engineers의 레이더 부서에서 지하 위치에 대한 연구가 재개되었습니다. 민간 항공(RKIIGA) 교수의지도하에. M. 핀켈슈타인. 1989년 "Probe" 시리즈의 지상 투과 레이더를 개발 및 생산하는 Radar Systems, Inc. 회사가 등장했습니다. 그 후, 그들은 LOGIS의 "Oko" 지오레이더와 기타 러시아산 지오레이더와 성공적으로 경쟁했습니다.

81990년에 지구 자기, 전리층 및 전파 전파 연구소(Troitsk)의 전문가들은 화성 탐사선용 탑재 레이더 개발을 시작했습니다. 우주 프로그램"화성 -94". 화성 표면 아래에서 연구를 수행하고 얼어붙은 물을 탐색할 계획이었습니다. 그 후, 개발 경험은 Trot 및 Loza 시리즈의 지상 투과 레이더의 설계 및 생산에 성공적으로 사용되었습니다.

모스크바 물리 기술 연구소에서는 Leshchansky 교수가 이끄는 직원 그룹이 토양의 전기적 특성을 연구하면서 지하 감지 작업이 시작되었습니다. 그 후, 이 그룹의 구성원은 지하 감지 레이더의 개발 및 생성과 관련하여 여러 가지 흥미로운 솔루션을 제안했습니다.

모스크바 지질학부 지진계 및 지구음향학과 주립 대학지상 투과 레이더는 데이터 처리에 사용되는 방법의 유사성으로 인해 지진 연구의 논리적 연속이 되었습니다. 우리 학과에서는 우리나라 최초로 지질단면 연구를 위해 '프로브' 시리즈의 지상투과레이더를 널리 사용하기 시작했으며, 측지레이더를 활용한 복잡한 지구물리학적 조사에 대한 폭넓은 경험을 쌓았고, 다기능 소프트웨어지리 레이더 데이터 처리용.

모스크바 항공 연구소에서 지하 레이더와 관련된 주요 방향은 역 문제를 해결하고 숨겨진 물체의 이미지를 인식하는 방법을 개선하는 방법을 사용하는 것이었습니다.

80년대 중반부터 모스크바 주립 공과대학 원격탐사 연구실에서 활동했습니다. N.E. Bauman은 지하 레이더를 사용하여 얕은 깊이에 있는 물체의 이미지를 얻는 일련의 작업을 시작했습니다. 완료된 연구 결과, 연속 신호 방출이 가능한 지하 탐지기를 사용하여 응축 물질을 다중 주파수로 감지하는 방법이 개발되었습니다. 개발된 방법을 기반으로 RASKAN 레이더는 고해상도로 건물 구조를 감지하도록 설계되어 시험 생산에 투입되었습니다.

Fryazino의 IRE RAS 및 SKB IRE RAS에서 지하 레이더 이론 개발 작업, 이 분야의 장비 개발 및 실험 연구는 Mars-84 - Phobos 프로젝트와 관련하여 1980년에 시작되었습니다. RCIIGA 전문가와 IRE RAS 전문가가 작업에 참여했습니다. 화성 위성 포보스의 심층 프로파일을 얻기 위해 300-200, 150-90 및 4.7-5.3 MHz 주파수 범위에서 작동하는 RLK-84 레이더 단지가 생성되었습니다. RLK-84 장치 샘플 중 하나를 사용하여 IRE 및 SKB IRE 직원은 아르메니아의 응회암 두께를 추정하고, 가스 파이프라인을 감지하고, 서부 시베리아에서 계절에 따라 얼어붙은 토양이 해빙되는 깊이를 측정하는 실험을 성공적으로 수행했습니다. 첫 번째 실험은 자동차에 장치를 설치하면서 수행되었으며, 마지막 두 실험은 헬리콥터에서 수행되었습니다. 이 작업은 Mars-96 프로젝트의 틀 내에서 계속되었습니다. Mars-96 임무를 위해 SKB IRE는 IRE RAS와 함께 화성의 지하 레이더용 새로운 RLK-M 레이더를 개발하여 우주선에 설치했습니다.

1998년 IRE RAS와 SKB IRE RAS는 Stavropol의 의뢰로 2채널 지오레이더 "Gerad-2"의 공동 개발을 시작했습니다. 고고학 탐험. 이 지오레이더와 이를 위해 개발된 독점 소프트웨어는 IRE와 SKB IRE에서 개발된 일련의 지오레이더의 프로토타입 역할을 했습니다.

지상 기반 지오레이더 사용의 특징은 탐색된 매체의 표면과 관련하여 안테나의 주로 접촉 배열입니다. 이는 방사선으로 인한 에너지 손실의 감소를 보장합니다. 첫째, 원격 감지의 특성인 공대지 반사가 제거되고, 둘째, 안테나 방사 패턴이 연구 대상 환경에 직접 형성됩니다(안테나 지향성이 증가함). , 연구 중인 물체는 주로 안테나 근처 영역에 위치합니다(파동의 구형 발산은 무시할 수 있음).

그러나 이러한 동일한 기능은 지상 침투 레이더의 단점을 야기합니다. 첫째, 매체와 그 안에 포함된 물체는 안테나 시스템에 매우 근접해 있기 때문에 안테나 시스템의 매개변수에 영향을 미치므로 방출된 신호의 특성은 결정적이지 않습니다(측정 과정에서 변경됨). 둘째, 안테나 근거리 영역의 전자기장 계산은 상당히 복잡하여 모델링이 복잡해지고 실질적으로 사용이 불가능해집니다. 정량적 특성수신된 신호를 분석할 때 이와 관련하여, 수신된 레이더 데이터를 처리 및 표시하는 알고리즘을 개선하고, 방법의 실질적인 영향을 높이기 위한 연구 방법을 개발하는 문제는 특히 중요합니다.

지상 관통 레이더와 달리 우주 기반 레이더는 건조하거나 얼어붙은 환경, 즉 우주 표면(무선 신호 흡수율이 낮음)을 조사합니다. 따라서 제한된 에너지 소비에도 불구하고 장거리에서 표면을 감지하는 데 잠재력이 충분합니다. 이러한 큰 거리는 종종 우주에서 실험을 설정하는 특성, 즉 우주선의 궤도, 비행 안전으로 인해 주어진 거리보다 짧은 연구 대상 물체에 접근하는 것이 불가능하기 때문에 발생합니다. 장거리에서 감지하려면 신호 대 잡음비가 높은 레이더를 사용해야 합니다. 이는 펄스 지속 시간이 긴 신호를 사용하여 달성됩니다. 하드웨어 처리 중 신호 축적 시간이 길어 신호 대 잡음비가 향상됩니다. 기본적으로 이러한 목적을 위해 레이더는 RLC-M에서와 같이 처프 변조 또는 반송파 주파수의 단계별 변경과 함께 사용됩니다.

측심 중 거리 범위가 몇 미터에서 수십(또는 수백) 킬로미터까지 다양할 경우, 특히 주로 단일 안테나로 구성된 우주 기반 레이더(우주 레이더의 무게를 줄이기 위해)에서 장기간 펄스를 사용할 수 없게 됩니다. , 일반적으로 하나의 안테나가 사용되며 신호를 전송하거나 수신하기 위해 교대로 작동합니다. "장거리" 문제에 대한 엔지니어링 솔루션 중 하나는 레이더 시스템을 사용하는 것이었습니다. 이러한 단지에서는 각 거리 범위에 대해 최적의 신호 특성과 형성 방법을 갖춘 레이더가 사용되었습니다. 실제로 이로 인해 우주선에 여러 개의 레이더가 배치되었지만 이는 실패했습니다. 최선의 방법으로무게 특성에 영향을 미쳤습니다. 장파 행성 레이더 DPR에서는 또 다른 방법이 제안됩니다. 단거리에서는 문제 해결에 필요한 분해능을 제공하는 펄스 지속 시간과 함께 무선 신호가 사용됩니다. 장거리에서는 위에서 설명한 펄스의 조합으로 지정된 복잡한 신호가 사용됩니다. 이 경우 분해능은 실질적으로 변하지 않으며(열화되지 않음), 방출된(따라서 수신된) 복소 신호의 단순 서브펄스 수를 늘려 축적이 수행됩니다.

논문 작업의 목적은 자연 환경의 지하 레이더 감지에 대한 실험 설정 및 수행 문제를 해결하고 지구 표면 및 인근 지역의 무선 감지 방법을 개발하는 것입니다. 천체 태양계, 특정 실험을 설정하고 얻은 결과를 해석할 때 측정 데이터를 수집 및 처리하는 방법 개발.

설정된 목표의 구현은 다음 작업을 해결하여 달성됩니다.

1. 매질의 매개변수와 안테나와 매질 표면 사이의 간격 크기에 대한 쌍극자 방사 패턴의 의존성에 대한 연구. 매질 특성이 지하에서 반사되는 신호의 진폭과 형태에 미치는 영향을 분석합니다.

2. 초광대역 신호의 형성 및 전파에 대한 세부 사항을 고려하여 지리 레이더 데이터를 수집 및 처리하기 위한 알고리즘 개발 및 프로그램 패키지 생성.

3. 다양한 자연 환경을 감지하는 방법 개발: 육지 토양, 저수지 표면과 얼음 표면의 수생 환경, 우주선 탑재에서 우주체 토양의 원격 감지.

4. 숨겨진 지하 물체의 탐지 및 인식에 대한 실험을 수행합니다(개발된 기술과 가장 특징적인 유형의 지하 물체에 대한 생성된 레이더 이미지 라이브러리를 기반으로 함).

5. Phobos-Grunt 임무에서 포보스 표면의 레이더 소리 실험을 준비하기 위한 방법론 개발, 소리 신호 선택의 타당성, 소음을 고려한 반사 신호 처리 프로세스 모델링. 유럽 ​​행성 간 임무 "Mars Express"에서 Marsis 레이더로 얻은 실험 데이터에 대해 개발된 알고리즘을 테스트합니다.

방어를 위해 제출된 조항: 1. 지하 수심 레이더 데이터 처리를 위해 생성된 범용 프로그램 패키지를 사용하면 레이더의 잠재적인 성능을 높이고 얻은 결과 해석의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

2. 다양한 자연 환경의 레이더 감지 실험 결과를 준비, 수행 및 분석하기 위해 개발된 방법은 고고학, 건설, 지구 물리학 공학 및 기타 분야의 응용 문제를 해결하는 데 적용 가능합니다.

3. 개발된 방법을 사용하면 화성의 빙정권과 포보스 표면에 대한 레이더 측심 실험에서 얻은 결과의 준비, 구현 및 분석 단계를 최적으로 계획하고 시뮬레이션할 수 있습니다.

작업 결과의 신뢰성은 다음 설명으로 보장됩니다.

1. 얻은 결과는 이론적 계산과 일치하며, 특히 문헌에 설명된 결과와 일치합니다.

2. 개발된 방법은 실제로 테스트되었습니다.

3. 숨겨진 지하 물체를 탐지하기 위한 실험에서 실험 데이터의 해석 결과는 굴착, 드릴링 또는 직접 관찰(연구 중인 물체의 알려진 위치로부터 외삽 및 보간)을 통해 확인됩니다.

과학적 참신함과 실질적인 중요성

2채널 지상 투과 레이더로부터 지상 투과 레이더 데이터를 실시간으로 수집하고 시각화하기 위한 범용 프로그램이 개발되었습니다. 저자의 직접 참여로 고고학 연구용 2채널 지오레이더를 제작하고 최초로 테스트했다.

가벼운 토양과 물에 방출될 때 지리 레이더 안테나의 계산된 방사 패턴 분석에 기초하여 지리 레이더 측정을 수행할 때 연구 대상 매체 표면에서 안테나가 1개 이상의 방사 파장만큼 분리되어야 함을 보여줍니다. 피했다.

지하 측심 결과를 해석하기 위해 지면에 숨겨진 가장 일반적인 유형의 물체에 대한 레이더 이미지 라이브러리가 생성되었습니다.

처음으로 우주선(SC)에 탑재된 레이더가 보유 궤도와 착륙 궤적에서 방출하는 조직화된 위상 코드 조작 신호를 사용하여 포보스 토양의 지하 구조를 조사하는 기술이 제안되었습니다.

탄도 및 항법 데이터 분석을 기반으로 Phobos-Grunt 행성 간 우주 임무에서 DPR 레이더를 위한 최적의 작동 방식이 개발되었습니다.

논문 작업의 결과는 레이더 데이터의 수집 및 수학적 처리를 위한 프로그램을 개발 및 현대화하고, 약하게 흡수되는 지구 환경과 지구 우주체의 토양에 대한 지하 탐사에 대한 실험을 준비 및 수행하고, 분석 및 수행하는 데 사용될 수 있습니다. 획득한 측정 데이터를 해석합니다.

이 작업은 1991년부터 2008년까지 러시아 과학 아카데미(Fryazino 지점)의 V.A. Kotelnikov 무선 공학 및 전자 연구소에서 수행되었습니다. 논문에 제시된 결과는 V.A.에서 수행된 방사성 물리학 연구의 일부입니다. 러시아 과학 아카데미의 Kotelnikov 무선 공학 및 무선 전자 공학 연구소. 이 연구의 일반적인 감독은 기술 과학 박사, 물리 및 수학 과학 박사 N.A. Armand 교수가 수행했습니다. V.A. Andrianov 및 물리 및 수학 과학 박사 V.M.

이 작업의 프레임워크 내에서 수행된 연구는 01.04.03 전문 분야인 "방사선 물리학", 섹션 5 "역 문제를 해결하기 위한 현대적인 방법을 기반으로 환경의 능동 및 수동 원격 진단의 과학적 기초 및 원리 개발에 해당합니다. 공간권, 수권, 전리층, 자기권 및 대기권에 대한 원격 모니터링 시스템 구축. 근거리 및 원거리 우주 공간에 대한 전파 천문학 연구."

논문 결과(힐베르트 변환, 역 필터링, 처리 단계의 결과 출력을 포함한 개발된 소프트웨어)는 ISTC 프로젝트 번호 2866 "다중 주파수 편광 합성 조리개 사용 가능성"의 구현에 사용되었습니다. 토양과 식물의 표면 및 지하 측량을 위한 레이더(SAR) 미터(L, P) 및 데시미터(UNB) 범위." 프로젝트 리더들은 논문 후보자를 참여시켜 숲 속 토양의 유전 상수 변동을 연구할 때 지표 투과 레이더를 사용할 가능성을 연구하는 실험을 수행했습니다. 이 실험에서 얻은 결과는 국내 및 국제 회의에서 발표되었습니다. 얻은 결과는 그러한 목적으로 지상 침투 레이더를 사용할 가능성을 나타냅니다.

논문 주제에 관한 출판물. 논문 자료는 고등인증위원회(3) 목록에 포함된 동료 심사 저널, 기타 저널(2), 컬렉션을 포함하여 26개 작품으로 전체 출판되었습니다. 과학 작품(1), 러시아 및 국제 회의 보고서 초록(20).

업무의 구조와 범위. 논문은 서론, 4장, 결론, 참고문헌 목록으로 구성된다. 작품은 163페이지, 69개의 그림, 4개의 표로 구성되어 있습니다.

결론

본 논문에서는 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 두 매체 사이의 경계면에 위치한 안테나의 방사 패턴 계산이 수행되었습니다. 공기 중 방사 패턴은 매질(지상)보다 지향성 계수가 훨씬 낮은 것으로 나타났습니다. 안테나가 지면에서 분리되면 지향성 계수가 증가하고, 지면으로 방사되는 신호의 적분 전력이 감소하는 것으로 나타났습니다.

2. 층상 매체에서의 GPR 신호 전파 모델링이 수행되었습니다. 반사 펄스의 진폭과 모양에 대한 층상 매체의 방사선물리학적 특성의 영향이 연구되었습니다. 수치 모델링 및 실험 측정 데이터의 결과를 기반으로 가장 일반적인 소리 개체에 대한 레이더그램 카탈로그가 생성되었습니다.

3. 지리 레이더 데이터를 수집하고 처리하기 위한 알고리즘을 생성하기 위한 방법론이 개발되었습니다. 이 방법론을 기반으로 "Gerad", "DAO", "GIR" 시리즈의 지리 레이더용 소프트웨어 패키지가 개발되었습니다.

4. 고고학, 건설, 공학 등 다양한 응용 문제와 관련하여 수면과 얼음 표면 및 다양한 자연 환경에서 담수 수역에 대한 레이더 측량 실험 결과를 준비, 수행 및 분석하는 방법이 개발되었습니다. 지구물리학. 방법은 실험적으로 테스트되었습니다.

5. Phobos-Grunt 임무에서 포보스 표면의 레이더 소리 실험을 준비하기 위한 방법론이 개발되었습니다. 프로빙 신호의 선택이 정당합니다. 노이즈를 고려한 반사 신호 처리 시뮬레이션이 수행되었습니다. 탄도 및 항법 데이터 분석을 바탕으로 DPR 레이더에 대한 최적의 실험 설계가 개발되었습니다. 6. DPR 장치에서 데이터를 처리하기 위해 개발된 방법론은 유럽 행성 간 임무 "Mars Express"에서 Marsis 레이더로 얻은 실험 데이터를 처리할 때 테스트되었습니다.

결론적으로, 저자는 이 작업을 수행하는 데 도움을 준 과학 감독 V.M. Smirnov에게 깊은 감사를 표하며, 얻은 결과에 대해 유익한 토론을 해준 공동 저자에게도 진심으로 감사를 표합니다. 저자는 지하 감지 실험 수행에 대한 장비 개발 및 지원에 대해 Federal State Unitary Enterprise SKB IRE 팀에 감사드립니다.

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