Способ увеличения угловой разрешающей способности радиолокатора подповерхностного зондирования
METHOD OF INCREASING ANGULAR RESOLUTION OF RADAR OF SUBSURFACE PROBING

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации и может применяться при поиске различных объектов, как искусственного, так и естественного происхождения, располагающихся в подповерхностном пространстве.
Известно, (G. Sugak V.G., Dubovitsky A.N. Antenna Aperture Synthesis For SFCW GPR in a Medium with Frequency Dispersion of Radio-Waves Propagation Phase Velocity // 2018 IEEE International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, P. 185-187) что одной из основных проблем подповерхностной радиолокации является низкая разрешающая способность в горизонтальной области, особенно проявляющаяся при попытках зондирования на сравнительно больших глубинах (более нескольких метров). Она определяется сравнительно малыми размерами антенн по отношению к длине радиоволны. В результате диаграмма направленности таких антенн может достигать нескольких десятков градусов, а размер облучаемого ею пятна на глубинах более нескольких метров быстро увеличивается. Фактически он соизмерим с глубиной зондирования, что делает затруднительным различать небольшие объекты или исследовать их пространственную конфигурацию.
Одним из способов (Fauzia Ahmad, Gordon J. Frazer, Saleem A. Kassam, Moeness G. Amin, "A New Approach for Near-Field 277 Wideband Synthetic Aperture Beamforming" // Proceedings of the IEEE International Conference on Acoustics, 278 Speech, and Signal Processing 2003 (ICASSP 2003), 5, 89-92, (2003).) увеличения разрешающей способности систем подповерхностной радиолокации является использование метода синтеза апертуры антенны при зондировании на сравнительно больших площадках в дискретных точках с привязкой каждой точки к соответствующим пространственным координатам. Этот способ широко используется в классической радиолокации, когда зондирование осуществляется в свободном пространстве, в котором фазовая скорость распространения радиоволн практически совпадает со скоростью света.
В подповерхностном пространстве фазовая скорость распространения радиоволн существенно отличается от скорости света. Причем коэффициент замедления этой скорости варьируется в широких пределах и может достигать нескольких десятков единиц в зависимости от типа грунта, его пористости, объемной влажности и многих других параметров. Существенной особенностью в данном случае является также частотная дисперсия (зависимость от частоты) фазовой скорости распространения радиоволн, которая также зависит от указанных выше параметров грунта. В качестве примера, на фиг. 1 приведены две такие зависимости для суглинка с разной объемной влажностью.
Недостатком данного способа является то, что в процессе фокусировки синтезированной апертуры антенны на какой-либо элемент в подповерхностном пространстве сдвиг фазы суммируемых сигналов в каждой точке зондирования может существенно превосходить величину 2п, что делает практически невозможным фокусировку апертуры антенны в данном случае.
В качестве наиболее близкого аналога выбран MINE DETECTION WITH GROUND PENETRATING SYNTHETIC APERTURE RADAR (Обнаружение мин радиолокатором подповерхностного зондирования с синтезируемой апертурой) (Marshall Bradleya, Thomas Wittenb Robert McCumminsa, Michael Duncana // Planning Systems Incorporated, Long Beach, Mississippi bU.S. Army Night Vision and Electronic Sensors Directorate, Ft. Belvoir Virginia). В описанном радиолокаторе со ступенчатым изменением несущей частоты применена антенная решетка, составленная из отдельного ряда приемных и передающих антенн, располагающихся параллельно друг другу. Антенны в каждом ряде поочередно подключаются к приемному и передающему модулям с помощью электронных коммутаторов для реализации в дальнейшем процедуры синтеза апертуры антенны. В процессе коммутации принятые сигналы запоминаются в процессорном модуле. После окончания сканирования по несущей частоте и коммутации всех антенн осуществляют синтез апертуры антенны методом, в котором используется вычисленные времена задержки сигналов и соответствующие фазовые добавки для фокусирования синтезированной антенной решетки, причем эти фазовые добавки вычисляются в предположении, что фазовая скорость распространения радиоволн совпадает со скоростью света. В результате получают сфокусированное изображение в предположении о том, что среда распространения имеет те же свойства, что и свободное пространство. В частности, не учитывается тот факт, что часть своего пути до обнаруживаемого объекта и назад радиоволны проходят в грунте, в котором имеется дополнительная задержка сигналов за счет отличия скорости распространения радиоволн в грунте от свободного пространства и наличия ее частотной дисперсии (зависимости фазовой скорости распространения радиоволн от частоты).
Задачей, решаемой заявляемым способом, является создание способа увеличения угловой разрешающей способности радиолокатора подповерхностного зондирования.
Технический результат заключается в увеличении вероятности обнаружения и повышении точности определения глубины залегания объектов, как искусственного, так и естественного происхождения, располагающихся в подповерхностном пространстве. Кроме того, в результате использования изобретения можно оценивать частотную зависимость фазовой скорости распространения радиоволн и усредненные электрические характеристики подповерхностной структуры грунта, что особенно важно при решении задачи оценки физических характеристик этой структуры.
Технический результат достигается предлагаемым способом увеличения разрешающей способности радиолокатора подповерхностного зондирования, заключающийся в том, что посредством радиолокатора со ступенчатым изменением несущей частоты, осуществляют подповерхностное зондирование, в процессе которого полученные сигналы запоминают в записывающем устройстве, а после окончания зондирования осуществляют синтезирование апертуры антенны с использованием вычисленных времен задержки сигналов и соответствующих фазовых добавок для фокусирования апертуры антенной, причем зондирование проводят в дискретных точках на пространственной сетке выбранной площадки, размеры которой существенно превышают размер антенны радиолокатора. Осуществляют пространственную привязку каждой точки зондирования к соответствующим пространственным координатам и принимаемым комплексным сигналам. Синтез апертуры антенны проводится итерационным методом, в котором меняется коэффициент задержки и форма частотной характеристики скорости распространения радиоволн. Итерации продолжаются до тех пор, пока не будут достигнуты наиболее контрастное изображение объекта и точная форма частотной зависимости фазовой скорости.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что предлагается использовать корректировку фаз суммируемых сигналов в каждой точке зондирования, которые приходят от исследуемого объекта при его облучении диаграммой направленности антенны, располагающейся в других точках зондирования и обусловленных дополнительной задержкой этих сигналов за счет коэффициента замедления радиоволн и частотной зависимости фазовой скорости распространения радиоволн. Отсутствие априорной информации о фазовой скорости распространения радиоволн, предполагает использовать итерационные процедуры, в которых меняется величина коэффициента замедления и форма частотной зависимости фазовой скорости распространения до достижения наиболее контрастного изображения исследуемого объекта. В результате помимо сфокусированного изображения получается точная форма частотной зависимости фазовой скорости распространения радиоволн в среде и, как результат, точное значение глубины залегания исследуемого объекта под поверхностью грунта, а также средние значения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости подповерхностной структуры грунта под площадкой зондирования.
На фигуре 1 показано изменение функциональной зависимости фазовой скорости распространения радиоволн в суглинке от частоты в процессе итераций согласно аналога; на фигуре 2 - схема георадарного зондирования для синтеза апертуры антенны; на фигуре 3 радиолокационное изображение сечения грунта по профилю движения радиолокатора (георадара), пересекающему направление исследуемого объекта (водопроводной трубы) при размере скользящего окна апертуры 1×1 м; на фигуре 4 - сфокусированное радиолокационное изображение объекта после синтеза апертуры антенны скользящим окном, размер которого составлял 2,4×1,4 м.
Осуществление заявляемого технического решения производится следующим образом:
1. С использованием радиолокатора (георадара) со ступенчатым изменением несущей частоты, который обеспечивает когерентный режим работы в задаваемом диапазоне частот, осуществляют георадарное подповерхностное зондирование в дискретных точках на пространственной сетке выбранной площадки, размеры которой существенно превышают размер апертуры антенны радиолокатора. Дискретный шаг перемещения антенны радиолокатора выбирают исходя из длины радиоволны, соответствующей самой низкой частоты спектра зондирующего сигнала. Кроме того, осуществляют пространственную привязку каждой точки зондирования к соответствующим пространственным координатам и принимаемым сигналам;
2. Получаемая информация в виде комплексных сигналов с выхода фазового детектора приемника в дискретной форме запоминается в памяти компьютера или любого запоминающего устройства;
3. После окончания зондирований во всех точках пространственной сетке на площадке осуществляют синтезирование апертуры антенны, соответствующей всей выбранной площадке, что фактически эквивалентно фокусированию этой апертуры на соответствующий элемент разрешения в подповерхностном пространстве. Так как априорная информация о частотной зависимости скорости распространения радиоволн в подповерхностном пространстве отсутствует, синтез апертуры проводится итерационным методом (методом перебора), в котором меняется коэффициент задержки и форма частотной характеристики скорости распространения радиоволн, начиная с заведомо меньших значений коэффициента замедления. При каждом значении указанного коэффициента меняют форму частотной характеристики скорости распространения радиоволн. Итерации продолжаются до тех пор, пока изображение исследуемого объекта становится наиболее контрастным (достигает наилучшей фокусировки). В результате помимо сфокусированного изображения получают точную форму частотной зависимости фазовой скорости распространения радиоволн под площадкой и, как результат, точное значение глубины залегания исследуемого объекта под поверхностью грунта, а также средние значения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости подповерхностной структуры грунта под площадкой зондирования.
q
Уравнение для комплексной амплитуды синтезированного сигнала, соответствующей -й точке подповерхностного пространства:
ƒ
add
t
r
0
r
Где  - комплексный сигнал на выходе демодулятора приемника, N- число ступенек несущей частоты, Δr - дополнительное расстояние от точки наблюдения до текущей позиции антенны радиолокатора, θ(φ,ƒ), θ(φ,ƒ) - выражение для диаграммы направленности передающей и приемной антенн соответственно, зависящее от частоты ƒ и угла наблюдения φ, ƒ - начальноезначение частоты зондирующего сигнала, Δr- масштабный коэффициент, соответствующий элементу разрешения по глубине зондирующего сигнала.
Таким образом, с помощью заявленного технического решения помимо сфокусированного изображения получают точную форму частотной зависимости фазовой скорости распространения радиоволн под площадкой и, как результат, точное значение глубины залегания исследуемого объекта под поверхностью грунта.