Параметрический метод обнаружения подповерхностных объектов на основе взаимодействия электромагнитных и сейсмических волн

Обнаружение объектов в укрывающих средах, представляет одну из важных задач человеческой жизнедеятельности. Поиску трубопроводов, кабелей, выполненных из различных материалов, а также металлических заглубленных объектов с учетом различных условий применения аппаратуры посвящена данная работа. Так же видятся перспективы использования нового метода в качестве
поиска места повреждений трубопроводов. Отдельной задачей является создание аппаратуры для дистанционного обнаружения миноподобных объектов с целью гуманитарного разминирования. Не смотря на современное развитие техники и технологий в этой области, она остается до сих пор актуальной. Завершенные и продолжающиеся военные конфликты с использованием в большом количестве различных типов устройств, диктует необходимость создания эффективных методов безопасного обнаружения.
Основные вопросы данной области связаны с повышением точности обнаружения, селекции «целей», увеличения производительности и снижения затрат при проведении данных работ.
Традиционные используемые методы поиска основаны на применении металодетекторов (индукционного типа). Во многих случаях металодетекторы оказываются бесполезными для поиска объектов с низким количеством металла либо выполненных полностью из пластика, который все чаще используется в качестве
основного материала для трубопроводов и коммуникаций. При высокой степени засорения земли металлическими включениями металлодетекторы дают большое количество ложных срабатываний, что негативно влияет на производительность работ.
Кроме того, применяются, либо находятся в стадии разработки, ряд методов на основе использования радиолокаторов подповерхностного зондирования, радиометрические комплексы, нейтронные и гамма-датчики.
Перспективными вариантами создания технических средств поиска, также является совмещение нескольких видов датчиков на одной платформе с целью повышения качества обнаружения целей.
5
Все выше перечисленные методы различаются как по дальности обнаружения, точности селекции, скорости сканирования местности и условиям работы. Необходимо также учитывать сложность и стоимость реализации подобных комплексов.
На основе оценки существующих способов поиска представляет интерес создания метода параметрической локации с использованием радара подповерхностного зондирования и сейсмического излучателя в качестве «подсветки» объектов поиска.
Цель и задачи исследования
Теоретическое и экспериментальное обоснование параметрического радиолокационного метода и возможная реализация поискового комплекса. Работа включает в себя следующие задачи исследования:
1. Разработка физических основ поиска подповерхностных объектов на основе параметрического метода радиолокации с применением в качестве модулирующего сигнала поверхностных сейсмических волн Релея;
2. Оценка энергетических параметров поисковых установок;
3. Исследование потенциальных возможностей метода по дальности и статистических характеристик обнаружения;
4. Разработка структуры аппаратных средств.
Методы исследования
Применены методы линейного и спектрального анализа, теории радиолокации и сейсморазведки, дана оценка экспериментальных и теоретических результатов работы.
Защищаемые положения
1. Представленный новый параметрический метод позволяет получить дополнительный отличительный признак для объектов поиска так и для объектов ложных тревог, что закладывает научно-технические основы нового метода.
2. Экспериментально подтверждено наличие акустических портретов
объектов, что при обработке с помощью математических алгоритмов по трем
измеряемым параметрам и в случае нормального закона распределения шума,
вероятности ложной тревоги P  102 , вероятность правильного обнаружения по ЛТ
критериям Неймана-Пирсона составит P  0,97 . ОБН

6
3. В качестве источника сейсмических волн Релея предлагается использовать импульсный излучатель, работающий на электромагнитном принципе с периодическим повторением ударов.
4. Разработанная конструкция аппаратного комплекса с размещением источника сейсмических волн на базовой машине, передатчика РЛС с бортовым центром обработки информации, и выносом приемных антенн РЛС на дистанционно управляемые подвижные поисковые блоки-роботы, позволяет соблюсти требования к безопасности проведения работ.
Новые научные результаты
1. Впервые дано обоснование использования сейсмических волн Релея для возбуждения объекта поиска с регистрацией отклика узкополосной РЛС автодинного типа.
2. Для решения задачи предложено использовать РЛС в СВЧ диапазоне 10-30 ГГц, обеспечивающее получение доплеровского фазового сдвига колебаний поверхности грунта.
3. Показано, что в качестве источника сейсмических волн оптимально использование невзрывных импульсных сейсмических излучателей электромагнитного типа.
4. Наилучшую эффективность поиска можно обеспечить считыванием четырех информационных параметров, коэффициента взаимной корреляции между заранее записанных при обучении импульсных переходных характеристик объектов поиска
и сигналов отклика на выходе РЛС, относительной полосой спектра сигнала и его длительности, а также дополнительного информационного признака- тангенса угла потерь в грунте, что позволяет снизить вероятность ложных тревог.
Теоретическая и практическая значимость
1. Впервые предложен и исследован радиолокационный метод поиска подповерхностных объектов на основе параметрического взаимодействия сейсмических и электромагнитных волн.
2. Получены энергетические зависимости для радиолокационного тракта, связывающиеся параметры сейсмического излучателя и радиоканала.

7
3. Дан анализ возможности создания роботизированного комплекса на основе базовой машины и системы управляемых поисковых блоков.
4. Впервые экспериментально показаны в натуральных условиях результаты взаимодействия механических и электромагнитных колебаний на различных объектах, и мешающих ложных целей, типа металлического мусора, камней, кирпича и т.п.
5. Дано экспериментальное подтверждение теоретических расчетов о возможности применения данного метода поиска.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на научном семинаре в Центральном научно-исследовательском испытательном институте инженерных войск Минобороны России (2018, г. Москва), на научной конференции Военной академии ВКО, «Состояние и перспективы развития системы противовоздушной обороны государств-участников СНГ» (2016, г. Тверь) и II Всероссийской научно- технической конференции «Системы связи и радионавигации» (2015, г. Красноярск). Опубликовано в восьми публикациях в т. ч. семь по списку ВАК, и одна в цитируемых изданиях «Web of Science» и «Scopus». На устройство поиска диссертантом получен патент РФ No2681271.
Личный вклад автора
Основные теоретические и экспериментальные исследования проведены автором лично.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения, списка литературы из 70 наименований. Общий объем работы составляет 125 страниц и 67 иллюстраций.
Краткое содержание работы
Во введении содержится общая характеристика рассматриваемой проблемы, обосновывается актуальность выбранной темы, излагаются предпосылки выполнения диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования.

8
В первой главе дан обзор существующих и перспективных методов и средств поиска. Проведен сравнительный анализ. Обоснована актуальность предлагаемого метода и сформулирована постановка задачи.
Во второй главе рассмотрены варианты генерации сейсмических волн. Представлена математическая модель распространения поверхностных сейсмических волн Релея и Лява. Дан выбор и обоснование применения источника сейсмических волн носителя, на основании анализа ультразвуковых и импульсных

технологий. Рассмотрена возможность использования естественных шумов от движения носителя в качестве сейсмоисточника.
В третьей главе дан системный анализ параметрического радиолокационного канала. Приведены основные уравнения параметрической радиолокации для земной и водной поверхности. Осуществлен выбор и оптимизация зондирующего радиолокационного сигнала. Дана оценка радиопомехи движения по статистически неровной поверхности, рассчитаны энергетические параметры излучателя и приемника радиолокационного сигнала, в том числе с вынесенными поисковыми блоками.
В четвертой главе приведены экспериментальные результаты работы и существующие проблемы построения аппаратуры радиолокационного параметрического комплекса.