CC BY
25Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2019, 12(8), 987-997
УДК 53.09, 627.67
Parametric Method
for Searching Subsurface Objects Based on the Interaction of Seismic and Electromagnetic Waves
Evgeniy N. Garin and Roman G. Shaydurov*
Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia
Received 14.10.2019, received in revised form 21.10.2019, accepted 14.11.2019
The physical basis of the method for detecting subsurface objects in the earth is described on the basis of excitation of the Rayleigh shock seismic waves along the earth-air interface and registration by the radar method of the Doppler phase shift arising under the action of seismic impacts of vibrations of the search object body. The energy dependencies for the radar channel are estimated, the binding parameters of the seismic emitter and the radio channel are given. The results of experimental work and mathematical processing of the data are presented.
Keywords: seismic wave, electromagnetic seismic source, parametric method, radar.
Citation: Garin E.N., Shaydurov R.G. Parametric method for searching subsurface objects based on the interaction of seismic and electromagnetic waves, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2019, 12(8), 987-997. DOI: 10.17516/1999-494X-0199.
Радиолокационный метод поиска
подповерхностных объектов на основе взаимодействия сейсмических и электромагнитных волн
Е.Н. Гарин, Р.Г. Шайдуров
Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Работа посвящена обоснованию метода подповерхностных объектов в земле, позволяющего получить дополнительно новый параметр принятия решения в виде импульсной характеристики механических вибраций оболочки объекта, не используемый в существующей аппаратуре как в России, так и за рубежом. Это даст возможность существенно улучшить вероятность
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: [email protected]
*
обнаружения, идентификации объекта и снизить вероятность ложных тревог.
Ключевые слова: сейсмическая волна, электромагнитный сейсмоисточник, параметрический метод, радар.
Введение
Сегодня во многих странах мира, в том числе и в России, ведутся исследования по привлечению новых физических принципов обнаружения и идентификации различных подповерхностных объектов. Из известных способов обнаружения объектов поиска в настоящее время используют импульсный индукционный и радиоволновой методы. Радиоволновой метод, или георадар, основан на регистрации тангенса угла потерь вмещающего грунта в широком диапазоне частот 300-3000 МГц. Несмотря на все усилия, статистические характеристики поиска- вероятности правильного обнаружения не достигают 0,9, а ложной тревоги в пределах 10-2. Проблема дистанционного обнаружения различных предметов искусственного происхождения в задачах поиска археологических ценностей, инженерных коммуникаций, миноподобных объектов в целях гуманитарного разминирования и при современном развитии техники и технологий остается до сих пор актуальной.
Основные вопросы данной области связаны с повышением вероятности обнаружения, качества селекции «целей», увеличения производительности и снижения затрат при проведении этих работ.
Эти проблемы освещеные в многих научных статьях и монографиях [1-5]. Ниже изложен новый принцип решения этой проблемы на основе возбуждения оболочки объектов поиска сейсмическими волнами и регистрации радиолокационным методом их собственных колебаний.
Принцип реализации и теоретические основы параметрического метода
На рис. 1 представлена модель параметрического метода поиска [6]. Способ реализует-сяследующимобразом: приемопередатчикрадиолокатора 5 сканирует поверхность земли 1 качающимся лучом 7 впереди транспорта - носителя поисковой установки, 6 - антенна радиолокатора.ПоверхностнаяволнаРелеяЗ распространяется от сейсмического излучателя 4 и возбуждает механические колебания во всех приповерхностных неоднородностях, включая объект поиска 2. Последние существенно отличаются по частоте и амплитуде вибраций от других объектов поиска, что и является информационным признаком распознавания.
Оуъекты ееоеореееиого проасхождедде, камни,неоднородности рельефа грунта, обычно евладщиеая проиинамиложныхтревог,воовом методе дают существенно меньшие частоты иеие боний, еслиеоорще ео збурвдаю оея меданилос ки.Эффективная глубина прохождения сейсмической волны hЭФ, где сосредоточено до 95% всей энергии [7], определяется как
А ф = 0,6(1 + а)ЛД, (1)
где а - коэффициент Пуассона, X
Рис. 1. Схема реализации радиолокационного параметрического метода обнаружения подповерхностных объектов
Fig. 1. The implementation scheme of the radar parametric methodfor thedetection of subsurface objects
Сучетомэтого в поверхностном слое плотность потока сейсмической энергии будет в
r
QC = — выше, чем во всей полусфере площадью 2nr2. Так, при XR = 2 м и r = 10 м, QC = 5;
Л
Это потенциальныйзапас, увеличивмощий сдвигпочвы под влиянием волны Релея. Амплитуда механического смещения объекта при возбуждены и сейсмическое в олной
Да^ПСь-^ЦАЛ (2)
7iRu r m
где F - сила удара сейсмического источника; R - эффективный радиус контактной поверхности излучателя сейсмоакустических волн (сигналов) с грунтом; S0 - площадь поверхности корпуса овъекте ициске, перпендинуляртея действсющейспот;г — аатстояннтдооСъекванонцва; Q0 -величонадобрттпотцообъектч псиька при мexaнийеекчсpeзoнaаае;ц—- а^аста<^С^'^^ъсьи при-соединеницгогнЛъот;г - длительность импульса, производимого сейсмическим источником.
Пра отриодичеоком п0000pчнии цеЯцмо—кз'цсоийеских ит^^аа^екцоото^оксе1^1^1^1аят ойъекта радиолокационный сигнал можно записать как
n 2пУа
U(t) = Um Z sin(®-t +-^ sin Qt), (3)
z=l г
где a>¡t = 2/ - циклическая частота радиолокационного сигнала; Á¡ - длина волны радиолокационного СВЧ сигнала; Q = 2nF - циклическая частота сейсмоакустического сигнала; i - текущий номер гармоники.
Для периодического импульсного сигнала, когда 90 % его энергии сосредоточено в первой гармонике, фазовый сдвиг первой гармоники принимаемого радиолокационного эхо-сигнала будетравен:
2лАатZ
Ар=-^ sin Qt. (4)
X.
i
Путемфазовогодетектированияотраженного от поверхности грунтаи объектапоиска радиолокационного сигнала, выделяя коэффициент фазовой модуляции Дф, можно получать ууформацпюотмещонии Дедг, ерямо едопсфцбональном отношению (2).
Днб одинаковых по роемеун обаентот селичина спого оьоепсенип тем отльше, чсп выше добнотноеть его поппесо и роныае масъи. ^Па^о! пкезоктов ъаи1^ссаотпа]Хбтго происхожменил пара-
1x005) О0 О0- °°тоо свио отлнчатнсб от итртметров естыствыхны)о опс>евттв (ые^п^ы^]^]пее, 1^амней) т
или искусственных (металлическиймусор).
Задача классификации целей может быть решена путем сравнения собственных частот ханебонеу (имп°рьсные ввроктероттиу)оЫ)гектов под деНсыанем
(О^Ойр^ытя cиоыeинaб пелмула нпыуиeыоо ]япоы^:о^ы сигнолгстозоооймашины,
пъибдалиюн(aя тпебуемуа мoщнocтьпeхeдоынккa PЛMытовиcыт ст coытыхУнocтипопткетров асегокомплекса:
п 4РыЛ^4е4ак
Р =-^-1--(5)
0 0рХ ,а0э 0П Ог4'
Здесь параметр сейсмического канала входит в виде амплитуды механического смещения корпусаобъектапоиска Дахг поддействиемвибраций.
Остальные обозначения: Ры - мощность шума приемника при полосе пропускания Дf = 30 Гц; X - длина электромагнитной волны РЛС; Я1 - расстояние от антенны РЛС до объекта поиска; h - глубина заложения; а - коэффициент затухания электромагнитных волн в земле; ^ - эквивалентная площадь объекта; SП - площадь приемной антенны; Q - механическая добротность объекта при воздействии сейсмической волны; у - геометрический коэффициент преломления по напряженности поля. При выносе приемника на автономный поисковый модуль зависимость от расстояния будет в виде (Я1Ь)2, что снижает мощность передатчика РЛС (5). На рис. 2 изображены графики зависимости смещения корпуса объекта исследования от расстояния до сейсмоисточника при его силе удара 1000 кг и зави-
Рис. 2 Fig. 2
симость требуемой силы удара сейсмоисточника F от расстояния до объекта при заданном его смещении Даг = 50 мкм.
Возбуждение сейсмических колебаний
Одним из новшеств метода является применение невзрывных электромагнитных сейсмических источников [8], позволяющих создать концентрированную сейсмическую волну Релея на границе раздела сред земля/воздух. Воздействие сейсмической волны на объект поиска определяет его смещение в пространстве и напрямую зависит от силы удара источника.
Принцип работы импульсного невзрывного излучателя сейсмических волн показан на рис. 3.
Источник состоит из опорной плиты 1, стойки 2, пригруза 3, магнитопровода пригруза 4, обмотки возбуждения 5, магнитопровода якоря 6, рамы якоря 7, демферов 8. При пропускании токачерезобмоткув озбуждения между магнитопроводом якоря и полюсами магнитопрово-даиндуктора пригруза, представляющего собой металлический балласт, который позволяет опорной плите плотно прилегать к грунту, создается магнитный поток Ф, который приводит пригруз в движение вверх с силой Е(1).
В начальном положении опорная плита находится на поверхности грунта, придавливая его весом пригруза, при подаче импульса тока на обмотку 4, пригруз начинает движение вверх по координате2, тквобождаяцентртпорнойплиты от собственного веса, передавая его на краяптследнтй.Ва ледствитатоатповерхность грунта под опорной плитой образует волновую форму.
Рдевиваемтяокеа удаят изхд' чателя оценивается по формуле Максвелла
F (t) =
B(t)S 2Мо ''
(6)
где: В(0 - индукция в зазоре электромагнита, - магнитная проницаемость воздуха, - ло-щадь сечения магнитопровода.
Масса такого излучателя существенно зависит от требуемой силы удара. Так, при = 25000 кг масса излучателя составит 2,5 т (источник «Енисей КЭМ-4»), а при | F(t)| = 1500 кг
Рис. З.Конструктивнаясхема невзрывного импульсногоисточника Fig .3. Thedesignof thenon-explosive pulsedsource
- 991 -
масса экспериментального импульсного невзрывного излучателя сейсмических волн равнялась 100 кг.
Результаты экспериментальных работ
Для проверки теоретических расчетов были поставлены ряд натурных экспериментов согласно схеме реализации метода (см. рис. 1).
Импульсные переходные характеристики (ИПХ) регистрировались с помощью прикрепленного к корпусу объектов поиска акселерометра 2ейаЬ-110С На рис. 4 показаны ИПХ для двух объектов исследования № 1 и № 2, в виде укороченных цилиндров диаметром 400 и 100 мм, кирпича и подстилающей поверхности (песка). Необходимо отметить, что объекты поиска имеют более протяженные по времени и сжатые по спектру частот характеристики.
Полученные ИПХбылиобработаны с помощью взаимно корреляционной функции ВКФ
т
R(т) = | -т^. (7)
0
График коэффициента ВКФ между объектом № 1 и другими приведен на рис. 5.
На основанииполученныхкоэфицппнтов взаимннНкереояции (ЫСВК)момшо сделатьвы-вод, что каждый из исследуемых объектов имеет свой индивидуальный акустический портрет. К примеру, коэффициенты ВКФ объектом поиска № 1 и остальных различаемые приблизительно в три раза.
Объект № I Ти=41 мс; Тн=13,6 мс, /,=76 Гц
Объект №2 Тц=60 мс; Тн=8,25 мс; /¿=121 Гц
мВ
0,05 -0,04 ' О.ОЗ » 0,02 -0,01 • о..
-0,02 ' -0,03 -
-0Д4
Кирпич
Тц=30 мс, Тн=5 мс, /=200 Гц
1 I г \
1 л 1
M
Песок без объекта T| i= 16 мс; Тн=5,5 мс, ./«=180 Гц
Рис. 4. Импульсные переходные характеристики объектов, полученные с помощью акселерометра Fig. 4. Impulse transient characteristics of objects obtained using an accelerometer
- 992 -
05.№1®05.№1 06.№l<g06.№2 Об.№1 ®кнрпич 06,№1®пссок
- 0,97 : I 0,28 0,3 . 0,2
* Г Т......1 1 т
Рис. 5. График коэффициента ВКФ объекта исследования № 1 с другими объектами Fig. 5.The graph ofthecrosscorrelationcoefficient objectof studyNo.1 withotherobjects
Объект №1 Тп=120 мс; Тн=8,2 мс; f„= 122 Гц
Объект №2 Тп=200 мс; Тн-7,7 мс; ./¿=130 Гц
Кирпич Тп=82 мс; Тн=14 мс; /¿=71 Гц
Песок без объекта Тп=246 мс; Тн=12,3 мс; /¿=81 Гц
Рис. 6. Импульсные переходные характеристики объектов, полученные с помощью радиолокатора Fig.6.I три^еМашЛеП сЬагайепзйсвоЫо^ ейзоСехпеПеесе гссбаг
Также с помощью автодинного радиолокатора были получены ИПХ объектов (рис. 6). Как видно из графиков, радиоволновую реакцию олупространства характеризуют три параметра -_/о частота, AF полоса частото длительнолть^ализацииТ^кнтирыедаяртоных объектов отличаются, однааонепПходимосозить зонуТЭПР) припма родиосигнала до хоемераоХъекта поиска .
Оценкавер оятностных характепистик обнаружения
В проееесе покав:оЕ^1>1а работ решаетхя е;ад;^чаибн^п^}^^анияоаъ^]кт^ поаска, распс^]ни]^;^1^ие ееовида омоосм сееп^с^е^омор^иаоепе.У^5^1^'^^р иями еОаеротпе нияев лаю тся
о^р^е^^тносра1^равиле^п^(^гоо£^е1ар^5^^^ах Ре, пропускахиан РП и ложной тревоги РЛТ, зависящие оаееиошениясибн ал/шум.
Пртпревышениизаданногооорога оиижается екорость перемещения луча РЛС и далее пошолряеося илсои^ипо1 аюспозмваоная гкс перемеорам офанимае оегспоови на -
Рядм о пааометрами КГ б6.?; а отаоделя]ютяя взрммн0)P0иpeпяби0наыeф-нкцииЯBKф) илиех весос оякнки интегоелтаЗ):
1 т_ _
RCт) = — [ ис ^ )ис Ct -т)dt, (8)
т
0
еде; и^С ¡ес(в) -соооеотстверне нармализоланные па диопа)сн]нз^£1)1еемя амплитуды прини-меемагocягнaлa; 8 -]^л^£;м^л]н^аиюлелоя аиинтса.
На рис. 1 иредиастлент арифихескао завааамость соралтнолтей Р0 мРЛТ от отолтсоня сиг-нал0шомнавходеплиемникаРЛС[8] длянормальнооораапределеноихт'ма.
Характеристики (кривые) обнаружений по критерию Неймана-Пирсона
Р обн
Рис. 7. Хтсрактерыстити о (знаружзния Fig. 7. Characteristicp ofdete ctkrn
Есликомбинировать поитновуассистему с итутим фмзическим принципомработы, например радиоволнотым,наиболее испезетусмошнатрактиотс оценктйттнгенса угла потерь ЭМ
огтааеа tgp = , то при равном параметрическому методу отношения сигнал/шум по мощ-
не ,—
носмн тнмйытнпи ттличино мы увеличивается е qj 2 ,авврояомгвт ь PO -с К,8доТ,9.
Методраспознавания типа объекта (образа) может быть реализован через алгоритм построения нкйуонныхсетет, пуопм формуруванин приибууенин реорветионной мизомттиче-скоМмодтли:
M(xt) = an x + a X + а\з x
(9)
где Х1, Х2, Х3 - измеряемые параметры сигнала РЛС; ац, ^12, а1з — коэффициенты регрессии, получаемые впроцессеобучения.
При превышении М(х) некоторого задаваемого порога Ып бортовой компьютер принимает решениео маркировкецели.
На рис. 8 изображена диаграмма обнаружения объекта по трем наблюдаемым параметрам. Здесь в трех точках располагаются параметры сигналов, получаемых с датчиков. Каждый из образов окружает некоторое статистическое облако разброса параметров (дисперсия результатов измерений), получаемых в результате повторения обучения системы. Разделение классов объектов производится построением гиперплоскости ГП^ на векторах, разделяющей получаемые информационные параметры образа объекта.
Под гиперплоскостью понимается поверхность, разделяющая пополам среднее расстояние между двумя соседними параметрами. Понятно, что при некотором классе объектов подобное построение /77 производится для каждого класса и решение принимается путем анализа сигналов по каждому из типов искомых объектов Я(0), AFo, Т0,
Еслипараметры ан независимы друг от друга, то статистические вероятности обнаружения Р0,-Иав 8 впредагрютспомо щьюрис. а через соотношение сигнал/шум
Это позволяет при одинаковом отношении сигнал/шум по каждому параметру повысить общее отношение сигнал/шум в 3,3 раза по напряжению или в 10 раз по мощности и достичь, согласно графику распределения Неймана-Пирсона при вероятности ложной тревоги Рлт = 10-2, вероятносиипонаружения цепиЕ? = 0,и8.
Тапим о°разом,рписамны мметод пигоолпетпмотпнццпрспцеучить существенное улучшение статистгчесииохгравтертстигмчыека, авкомринациисрадироолЕого1м методом в целом доатиоонеобхадимых роарльиоочи . ВключенмедополнительЕыхинформгционных каналов даств тзможноотп хPПилнииольнoиЕyчшитьпиоомытpыЫв ЫСс
(10)
R{ 0)
ToJo
Рис. 8. Диаг рамма олмддуженил объекта по тремнаблюд аемымпарамдтрмл Fig. 8. Diagram ofglbjert detection Ity tiirte observed parameters
- 995 -
Заключение
1. В статье описаны научно-технические основы радиолокационного параметрического метода поиска подповерхностных объектов на основе взаимодействия сейсмических волн ре-леевского типа и электромагнитных излучений от радиолокатора (РЛС) в диапазоне частот до 10 ГГц.
2. Приведены энергетические зависимости сейсмического и радиолокационного канала от расстояния. Дана оценка мощности сейсмического источника.
3. Параметрический метод позволяет в потенциале получить существенное улучшение статистических характеристик поиска, а в комбинации с радиоволновым методом в целом достичь необходимых результатов. Включение дополнительных информационных каналов позволит улучшить параметры вероятности обнаружения объектов, их классификации и снижения уровня ложных тревог.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-07-00180.
Список литературы
[1] Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А. Новые методы обнаружения скрытых объектов. М.: ООО «Эльф ИПР», 2011. 503 с. [Shcherbakov G.N, Ancelevich M.A. New methods for detecting hidden objects. М.: OOO «Alf IPR», 2011. 503 p. (in Russian)]
[2] Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография. Под ред. А.Ю. Гринева. М.: Радиотехника, 2005. 416 с. [Issues of subsurface radar. Collective monograph. editor A.U. Grinev. Issues of subsurface radar. Collective monograph. М., Radiotekhnika, 2011. 503 p. (in Russian)]
[3] Шайдуров Г.Я., Кудинов Д.С. Дистанционный метод поиска минно-взрывных заграждений и мин в любых корпусах на основе взаимодействия электромагнитных и акустических волн. Специальная техника, 2011, 4, 39-43 [Shaydurov G.Y, Kudinov D.S. Remote method of mineexplosive obstacles and mines search in any hulls on the basis of interaction of electromagnetic and acoustic waves, Special equipment, 2011, 4, 39-43 (in Russian)]
[4] Robert W. Haupt., Kenneth D. Rolt. Standoff Acoustic Laser Technique to Locate Buried Land Mines, Lincoln laboratory journal, 2005, 1(15), 3-23.
[5] Liam A. Marsh, Wouter van Verre, John L. Davidson, Xianyang Gao, Frank J.W. Podd, David J. Daniels and Anthony J. Peyton. Combining Electromagnetic Spectroscopy and Ground-Penetrating Radar for the Detection of Anti-Personnel Landmines. Sensors (Bazel). 2019, 19(15), 3390.
[6] Шайдуров Г.Я. Пат. № 2390801 РФ. Способ поиска объектов искусственного происхождения в земле и устройство для его осуществления. Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РФ 27 мая 2010 г. [Shaydurov G.Y. Pat. No. 2390801 RU. The method of searching for objects of artificial origin in the earth and the device for its implementation. Registered in the Register of inventions of the Russian Federation 27 may 2010 (in Russian)]
[7] Бондарев В. И. Сейсморазведка. Екатеринбург: УГГА, 2007. 690 с. [Bondarev V.I. Seismic exploration. Ekaterinburg, UGGA, 2007, 690 p. (in Russian)]
[8] Merill L. Skolnik. Radar hand book. The McGraw-Hill Companies, 2008, 671 p.
[9] Детков В.А. Импульсные электромагнитные сейсмоисточники «Енисей». Обзор моделей и опыт практического применения. Приборы и системы разведочной геофизики, 2007, 4, 5, 5-10 [Detkov V.A. Pulsed electromagnetic seismic sources «Yenisei». Overview of models and practical experience. Instruments and systems for exploration geophysics, 2007, 4, 5, 5-10 (in Russian)]
