Подповерхностное зондирование дорожного полотна с использованием ЛЧМ сигналов

• Автор: Дронов, Дмитрий Владиславович
• Шифр специальности: 05.12.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 147 с.

Аннотация

Анализируются методы применения сигналов с линейной частотной модуляцией для идентификации структуры слоев дорожного полотна. Рассмотрены особенности частотного метода зондирования с учетом погрешностей формирования и гетеродинной обработки зондирующего сигнала. Создана модель распространения сигнала в плоскослоистой среде. Впервые предложено использовать частотно-временной метод для восстановления частотной зависимости коэффициента отражения подповерхностной среды. Разработаны рекомендации по выбору параметров зондирующего сигнала и схемы обработки. Проведен сопоставительный анализ генетического и шаблонного алгоритмов минимизации целевого функционала. Проведено экспериментальное изучение возможностей восстановления профиля толщины насыпных слоев полотна железной дороги по глубине.
Ключевые слова: георадар, генетический алгоритм, алгоритм поиска по шаблону, сигналы с линейной частотной модуляцией, погрешности формирования и обработки, частотный метод зондирования, цифровой спектральный анализ.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АДШП - алгоритм детерминированного поиска по шаблону

АШП - алгоритм поиска по шаблону

БПФ - быстрое преобразование Фурье

БЦО - блок цифровой обработки

ВИН - высоковольтный источник напряжения

ГА - генетический алгоритм
глчм - генератор ЛЧМ сигнала
гпн - генератор пилообразного напряжения
дм - делитель мощности
лчм - линейная частотная модуляция
мх - модуляционная характеристика
МШУ - малошумящий широкополосный усилитель
но - направленный ответвитель
ПК - персональный компьютер
пмо - программно-математическое обеспечение
ППУ - приемно-передающее устройство
Прд - передатчик
Прм - приемник
ПФ - полосовой фильтр
пцвв - плата цифрового ввода и вывода
СКО - средний квадрат ошибки
См - смеситель
СтрП - стробоскопический преобразователь
Сч - счетчик
СШП - сверхширокополосный
УГ - управляемый генератор
УМ - усилитель мощности
УС - устройство синхронизации
ФНЧ - фильтр нижних частот
ЦАП - цифроаналоговый преобразователь
ЦАС - цифровой анализатор спектра
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ъ - скорость частотной модуляции
я. - индекс паразитной фазовой модуляции
с - скорость света в свободном пространстве
В - база ЛЧМ сигнала
вя - динамический диапазон входных сигналов
ЕВ - минимальная величина изменения функционала
^ср - частота среза фильтра нижних частот
/д /пм - частота дискретизации
- частота паразитного модулирующего колебания
/р - разностная частота
н - глубина слоя
к - толщина слоя
^тіп - разрешающая способность по глубине
/=V—Т - мнимая единица
к, - индекс перечисления
м - объем частотной выборки
т - число периодов несущей частоты на интервале анализа
N - объем выборки
М?ср - среднее число поколений
N1 - число итераций
Кп - число измеряемых параметров
К - число слоев модели
Аф - порядок фильтра
- число расчетных экспериментов
п - индекс перечисления
РЯ - размер популяции
р 1 ирд - мощность, излучаемая передающей антенной
р 1 прм шт - минимальная мощность на входе приемника
Рош - вероятность ошибки расчета
Я - комплексный коэффициент отражения среды
5 - спектральная плотность сигнала
5Т(7 - число поколений, в течение которого целевой функционал не изменяется более, чем на указанную величину
Т - длительность модуляции
Та - длительность интервала анализа
тсср - среднее время поиска
и -мгновенное напряжение
IV - девиация частоты частотно-модулированного сигнала

другой - приводит к росту вероятности электрического пробоя в антеннофидерном тракте. Для повышения разрешающей способности радиоимпульс-ных георадаров по глубине синтезируют оптимальную форму зондирующего радиоимпульса [1]. Тем не менее, проблема остается актуальной. Для устранения противоречий между пиковой мощностью и разрешающей способностью целесообразно применять сложные сигналы. Использование ЛЧМ сигналов привлекательно наличием технических средств, позволяющих производить их формирование и обработку с высокой точностью.
Частотный метод [1, 2] зондирования подразумевает формирование, излучение и гетеродинную обработку отраженного ЛЧМ сигнала, являющуюся разновидностью методов оптимального приема, при которой происходит его сжатие по частоте. Упрощенная структурная схема георадара с использованием ЧМ сигналов представлена на рис. 2.2.
» • т ►
0 Л0 Яі Я
Рис. 2.2. Структурная схема ЛЧМ георадара
Выходное напряжение генератора управляющего напряжения (ГПН) поступает на вход управляемого по частоте генератора (УГ). Зондирующий сигнал требуемой мощности, обеспечиваемой усилителем мощности (УМ), изучается в среду распространения. В случае линейного закона изменения частоты
г 1
f(t) = /о + Ы, I € [0,Т, гдеуо - начальная частота, Ь = — - скорость ЧМ, IVдевиация частоты ЧМ сигнала, Т - длительность модуляции (рис. 1.4), полную фазу V);(/) зондирующего сигнала и{Р) можно представить в виде
У|/(0 = 2я/0Г + 2я&—- + ф0, г 6 [О ,Т]. (2.1)