СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
REMOTE DETERMINATION OF DIELECTRIC CONSTANT OF DIELECTRIC OBJECT

Изобретение относится к области дистанционного измерения физических характеристик объектов, в частности диэлектрической проницаемости диэлектриков.
Существуют практические задачи, когда требуется определение диэлектрической проницаемости объекта без непосредственного контакта с ним измерительной аппаратуры. Кроме того, исследуемый объект в таких случаях может иметь сложную геометрическую форму, что затрудняет решение задачи.
Известен способ определения диэлектрической проницаемости материала, заключающийся в облучении испытуемого образца электромагнитной волной двуплечим излучателем, изменении разности фаз сигналов в плечах излучателя и измерении амплитуды прошедшей волны под углом и определении диэлектрической проницаемости; одновременно с изменением разности фаз в плечах излучателя снимают зависимость амплитуды прошедшей волны от длины плеча, а диэлектрическую проницаемость определяют по формуле
,
0
b
где λ - длина волны в свободном пространстве; λ - длина волны в двуплечем излучателе; Δ - период следования нулей амплитуды прошедшей волны, а угол θ выбирается из соотношения
,
k
где d - предельный размер плеча излучателя (SU 1800333 A1, 07.03.1993).
Недостатком способа является необходимость контакта излучателя с объектом определения диэлектрической проницаемости. Кроме того, этот объект должен иметь плоскую грань для обеспечения контакта с излучателем. Указанные обстоятельства не позволяют использовать данный способ для дистанционного определения диэлектрической проницаемости объектов.
Известен способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта путем облучения диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучателем на N частотах; облучение производится на фоне отражателей, которыми являются границы слоев объекта, либо граница диэлектрического объекта и воздуха, либо физическое тело, на котором размещен исследуемый диэлектрический объект. Производят регистрацию сигнала, отраженного от диэлектрического объекта и отражателя, 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; зондирование и прием осуществляют в секторе углов, а диэлектрические проницаемости и толщины слоев определяют по формулам:
;
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>l</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>c</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>l</mi><mi>p</mi></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ε</mi><mi>l</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>ε</mi><mi>p</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><msubsup><mi>θ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>д</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>c</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>l</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mi>S</mi><mi>i</mi><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><msubsup><mi>θ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>д</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>2</mn><msqrt><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
,
i
р
l
i
1
2
i
<mrow><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>θ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>д</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
где i - номер слоев; ε, ε - диэлектрическая проницаемость i- и p-го слоев; ε - диэлектрическая проницаемость среды, с которой осуществляется зондирование и прием сигналов; Δl - толщина i-го слоя;
, где h и h - высоты от границы раздела первого и второго слоев до мест, откуда производится зондирование и места приема сигналов соответственно;
- угол приема сигнала, отраженного от границы раздела i- и i+1-го слоев со скоростью света; t - 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 (RU 2039352 С1, 09.07.1995).
Недостатком данного способа является необходимость параллельности слоев диэлектрического объекта, а если он состоит из монослоя, то необходима параллельность его граней. В связи с этим способ может быть реализован в отношении специально изготовленных объектов. Кроме того, для реализации способа необходимо соблюдение определенных углов падения и отражения СВЧ-излучения относительно диэлектрического объекта.
Указанное выше не позволяет практически использовать способ для определения диэлектрической проницаемости движущегося и скрытого объекта с непараллельными слоями или гранями, в частности, для скрытого определения наличия диэлектрических взрывчатых веществ, спрятанных на теле человека. Как известно, диэлектрическая проницаемость подавляющего большинства этих веществ находится в пределах 2,9-3,1.
1
2
3
Известен способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта на фоне отражателя путем облучения диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на N частотах, регистрации сигнала, отраженного от диэлектрического объекта и отражателя, осуществляют когерентную обработку зарегистрированного сигнала с получением трехмерного СВЧ-изображения диэлектрического объекта и отражателя, дополнительно получают видеоизображение области, в которой находится диэлектрический объект и отражатель с помощью двух или более видеокамер, синхронизированных с источником СВЧ-излучения, преобразуют полученное видеоизображение в цифровой вид и строят трехмерное видеоизображение указанной области, переводят трехмерное видеоизображение и СВЧ-изображение в общую систему координат, определяют по СВЧ-изображению в общей системе координат расстояние Z между источником СВЧ-излучения и участком СВЧ-изображения отражателя, свободным от диэлектрического объекта, и расстояние Z между источником СВЧ-излучения и участком СВЧ-изображения отражателя в зоне диэлектрического объекта, по видеоизображению определяют в общей системе координат расстояние Z между источником СВЧ-излучения и видеоизображением диэлектрического объекта, при этом определяют диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта из соотношения:
(RU 2408005 С1, 27.12.2010).
Недостатком способа-прототипа является низкая точность определения диэлектрической проницаемости ε при движении исследуемого диэлектрического объекта, что требует для компенсации весьма точной синхронизации движущегося объекта и отражателя, а также синхронизации работы видеокамеры и средств регистрации отраженного сигнала; такая синхронизация трудно достижима и в любом случае не обеспечивает требуемой точности определения ε. Кроме того, способ-прототип требует освещения, достаточного для работы видеокамер.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения диэлектрической проницаемости движущихся диэлектрических объектов, а также обеспечение возможности реализации способа независимо от освещения диэлектрического объекта.
Согласно изобретению в способе дистанционного определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта, включающем облучение диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на N частотах, регистрацию сигнала, несущего информацию о диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта с помощью канала регистрации, содержащего средства регистрации, и когерентную обработку зарегистрированного сигнала, регистрируют сигнал, прошедший через диэлектрический объект, затем определяют зависимость выражения:
где N - количество частот СВЧ-излучения,
k - номер частоты СВЧ-излучения из N частот,
k
f - k-я частота СВЧ-излучения из N частот,
i - мнимая единица,
с - скорость света в вакууме,
k
Аобъект - амплитуда зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в присутствии объекта в контролируемой области пространства,
k
Фобъект - фаза зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в присутствии объекта в контролируемой области пространства, выраженная в радианах,
k
Acn - амплитуда зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в отсутствие объекта в контролируемой области пространства,
k
Фcn - фаза зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в отсутствие объекта в контролируемой области пространства,
max
от x - координаты по оси X, соединяющей средство регистрации и источник СВЧ-излучения, определяют значение x, при котором F имеет максимальное значение, и определяют диэлектрическую проницаемость по формуле:
где L - физический размер диэлектрического объекта вдоль оси X.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «Новизна».
Реализация признаков заявленного способа обусловливает достижение технического результата, состоящего в повышении точности определения диэлектрической проницаемости движущегося объекта, поскольку исключается необходимость синхронизации этого объекта с какими-либо средствами, используемыми при осуществлении способа; кроме того, способ может быть реализован при любом освещении, поскольку не содержит операций, связанных с получением и обработкой видеоизображений.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат.
Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Реализация способа иллюстрируется конкретным примером. Для осуществления способа был взят диэлектрический объект - пчелиный воск. Исследуемый образец облучался когерентным СВЧ-излучением последовательно на 16 фиксированных частотах в пределах диапазона 8-18 ГГц. Облучение производилось с помощью излучателя, представляющего в конкретном примере коммутируемую антенную решетку, состоящую из 256 элементарных пространственно разделенных передающих антенн. Прошедший через исследуемый диэлектрик сигнал в виде двух квадратурных компонент регистрируется в данном примере с помощью широкополосной антенны Вивальди, связанной с 12-разрядным аналогово-цифровым преобразователем. С выхода АЦП через схему коммутации данные, соответствующие электрической компоненте зарегистрированного электромагнитного поля, прошедшего сквозь диэлектрический объект, поступали в компьютер, где после когерентной обработки формировался массив значений (256 значений) удлинения оптического пути сигнала от каждого передающего элемента антенной решетки до регистратора, при котором F для каждой пары приемопередающих элементов принимает максимальное значение.
где N - количество частот СВЧ-излучения,
k - номер частоты СВЧ-излучения из N частот,
k
f - k-я частота СВЧ-излучения из N частот,
i - мнимая единица,
с - скорость света в вакууме,
k
Аобьект - амплитуда зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в присутствии объекта в контролируемой области пространства,
k
Фобъект - фаза зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в присутствии объекта в контролируемой области пространства, выраженная в радианах,
k
Acn - амплитуда зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в отсутствие объекта в контролируемой области пространства,
k
Фcn - фаза зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в отсутствие объекта в контролируемой области пространства.
Для каждого направления, соединяющего излучатель антенной решетки и регистратор, определяли физический размер L исследуемого диэлектрического объекта путем прямого измерения. При этом диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта определяли для каждой элементарной передающей антенны при одном средстве регистрации из соотношения:
Формируется 256 значений диэлектрической проницаемости для различных пространственно разнесенных направлений, что позволяет построить пространственное распределение диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта. Определение среднего значения диэлектрической проницаемости объекта достигается путем усреднения значений массива диэлектрических проницаемостей каждого из направлений.
max
В конкретном примере диэлектрического объекта - пчелиного воска при L=10 см x составил 6,12 см и диэлектрическая проницаемость ε составила 2,6.
Заявленный способ обеспечивает повышение точности определения диэлектрической проницаемости движущегося объекта в сравнении с прототипом на 25-40% при скорости движения 0,5-1,5 м/сек.
С учетом значительного повышения точности определения значения ε исследуемого движущегося объекта можно существенно уменьшить число ошибок при идентификации объекта как взрывчатого вещества, например тротила, нитроглицерина, гексагена и других диэлектрических объектов.
Заявленный способ может быть также использован для определения ε диэлектриков, используемых в промышленности.
Для реализации способа используется известное оборудование и инструменты, что позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».