Усовершенствование метода переходных процессов для дистанционного контроля электропроводности проводящих объектов в виде оболочек вращения

• Автор: Воробьев, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 142 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ
1 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯННОГО ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СФЕРОИДАЛЬНОЙ ОБОЛОЧКЕ

1.1 Случай аксиального магнитного поля
1.2 Случай поперечного магнитного поля
1 3 Исследование зависимости постоянной времени затухания импульсного магнитного поля, рассеянного сфероидальной оболочкой, от её электродинамических и геометрических
параметров
2 ОЦЕНКА УРОВНЕЙ ОСНОВНЫХ ВИДОВ ПОМЕХ ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ РАБОТЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ
2.1 Классификация помех. Синхронные и несинхронные помехи
2.2 Оценка уровней основных видов помех
2.3 Преимущество импульсной электромагнитной системы перед гармонической системой
по критерию отношения сигнал/помеха
3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИЁМНОГО И ИЗЛУЧАЮЩЕГО ТРАКТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
3.1 Влияние электродинамических параметров входных контуров на отношение сиг-
нал/помеха на входе предусилителя
3.2 Структура сигнала с приемной антенны. Обоснование выбора геометрических ыараме!-
ров приемных антенн
3.3 Зависимость временных характеристик переходного процесса в приемных антеннах оз
расстояния до объекта и расстояния между антеннами
4 АНАЛИЗ УРОВНЕЙ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛА И ПОМЕХИ В АНТЕННЫХ СИСТЕМАХ РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИИ
5 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕНЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
5.1 Краткая сущность метода переходных процессов и его реализация в экспериментальной
системе
5.2 Описание натурного макета экспериментальной импульсной системы и методики пр
дения эксперимента
5.3 Анализ полученных экспериментальных данных

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИС
ПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. На дне морей и океанов находится большое количество металлических тел: затонувших судов, бочек, труб, кабелей связи, а также мин и снарядов, оставшихся еще после войны. В последние десятилетия в связи с активным освоением морского шельфа, связанного с добычей полезных ископаемых и их транспортировкой, по морскому дну прокладываются трубопроводы, строятся резервуары и другие инженерные сооружения. Риски при проведении строительных работ на морском дне обусловлены, главным образом, большим количеством сохранившихся боеприпасов со времен второй мировой войны. Обнаружение таких объектов и их отличие от других металлических тел, также в немалом количестве находящихся на морском дне, является актуальной задачей. Для ее решения используются электромагнитные и гидроакустические поисковые системы. Гидроакустические системы имеют существенное преимущество перед электромагнитными системами, так как способны обнаруживать объект на значительно больших дальностях и определять его геометрические параметры, в том числе и толщину стенок. Однако эти системы не способны определять электродинамические параметры материала объекта: электропроводность и магнитную проницаемость, без знания, которых
трудно классифицировать обнаруженный объект. Из анализа существующих электромагнитных систем, используемых для определения электродинамических параметров объектов, в том числе мин снарядов и торпед, была выбрана импульсная система. Как правило, такие системы монтируются либо на самоходных носителях, либо буксируются. Ограниченные энергоресурсы и габариты носителей зачастую определяют предельные характеристики поиска - дальность обнаружения, разрешающую способность и др. По этой причине важно при разработке поисковой системы проводить анализ основных параметров ее приемно-излучающего тракта с тем, чтобы оценить их влияние на указанные характеристики. В настоящей работе объектом исследования является поисковая импульсная электромагнитная система. Для такой системы, в основе работы которой лежит метод переходных процессов, основными параметрами являются величина магнитного момента излучающей антенны, чувствительность приёмной антенны и постоянные времени излучающего и приемного трактов. Первые (величина магнитного момента и чувствительность) определяют, главным образом, дальность обнаружения объектов поиска: чем больше магнитный момент излучателя и выше чувствительность приёмной антенны, тем больше (при прочих равных условиях) дальность обнаружения. Вторые (постоянные времени) определяют точность измерения параметров объекты поиска: чем меньше постоянные времени излучающего и приемного трактов системы (то есть постоянная времени системы), тем выше точность измерения. Для импульсных электромагнитных систем при решении поисковых задач остается трудноразрешимой задача распознавания объекта поиска. Для эффективного распозна-
вания тел, например, в виде сфероцилиндрических оболочек, необходимо иметь аналитическое выражение для характеристик электромагнитного поля, рассеянного на этих оболочках. Такими характеристиками являются амплитуда и постоянная времени затухания электромагнитного ноля рассеянного объектом (постоянная времени объекта). Постоянная времени объекта определяется его электродинамическими и геометрическими параметрами. Полагая что геометрические параметры объекта определены гидроакустическим методом, а магнитная проницаемость материала предполагается заданной, из постоянной времени объекта можно определить его электропроводность. Тем самым все параметры объекта будут определены, что важно для его классификации.
К началу работы было известно аналитическое выражение постоянной времени затухания импульсного электромагнитного поля, рассеянного на сферической оболочки конечной проводимости. За последние годы опубликован ряд работ, в которых получены выражения для электромагнитных характеристик их гармонических полей, рассеянных на цилиндре конечных размеров. Однако эти решения найдены либо для идеально проводящего цилиндра, либо выполнены при ряде других допущений. Многие техногенные объекты, такие как, снаряды, торпеды и ряд глубинных бомб имеют форму вытянутых тел вращения. Моделирование их одной или несколькими сферическими оболочками при определении электропроводности дает модельную ошибку, как показано в известной монографии Шайдурова, порядка (6-12)%. Для повышения точности определения электропроводности и классификационных возможностей импульсной системы в работе такие объекты моделируются вытянутой сфероидальной оболочкой с конечной проводимостью. Очевидно, что форма последней наилучшим образом аппроксимирует такие объекты поиска как снаряды, торпеды и мины. Повышение точности определения электропроводности металлических тел в виде сфероцилиндрических оболочек основываются на решении задачи рассеяния электромагнитного поля на сфероидальной оболочке, обладающей проводящими свойствами. Создание поисковой системы на основе такого подхода сопряжено с необходимостью учета типов объектов поиска и ограниченности размеров носителя системы.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является повышение точности определения электропроводности материала техногенных объектов, в виде проводящих оболочек вращения, находящихся, в том числе, в водной среде.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие научные и практические задачи:
1) получить аналитическое выражение постоянной времени затухания импульсного магнитного поля, рассеянного на проводящей сфероидальной оболочке;

В соответствии с работами [49-50] основной уровень магнитогидродинамических шумов сосредоточен в диапазоне частот 00,3 Гц. Максимальная напряжённость магнитного поля этих шумов - 10’3 А/м приходится на диапазон 0,05 -т 1 Гц, что существенно ниже рабочего диапазона ПЭМС, а поэтому их влияние можно не учитывать
Механические (прочностные) характеристики современных материалов, таких как углепластик, капролактан и другие, позволяют изготовить носитель практически без применения металла, если система достаточно компактна. Именно такой носитель антенной системы был использован при проведении эксперимента. Поэтому, среди выше перечисленных помех первого класса наибольшими, являются помехи за счёт колебаний и деформаций приёмных антенн в
магнитном поле Земли. Их оценка и будет дана в дальнейшем.
Синхронные помехи обусловлены электродинамическими процессами возникающими под действием возбуждающего поля в окружающей поисковую систему среде и приёмной антенне. Данные литературы и опыт проведения эксперимента показывают, что наибольшими
среди помех второго класса являются:
- помеха, обусловленная полем прямой передачи с излучающей антенны на приёмную;
- помехи за счет возбуждения индукционных токов в воде и грунте;
- помехи за счёт относительных смещений и поворотов (деформаций) приёмной и излучающей антенн;
- помехи за счёт возбуждения излученным полем индукционных токов в металлических
частях корпуса носителя (если они имеются);
- помехи за счёт наличия локальных неоднородностей типа камней на грунте.
Следует отметить, что для установок с гармоническим зондирующим полем на первом месте среди синхронных помех стоят помехи вызванные нестабильностью взаимного расположения приёмных антенн относительно излучающей. В импульсных системах этот вид помех существенно меньше вследствие разноса во времени моментов излучения и приема. Учитывая, что в изготовленном натурном макете импульсной системе металлические детали отсутствовали а электропроводность объектов в виде камней существенно (на несколько порядков) ниже электропроводности исследуемых объектов, последние два вида помех здесь не рассматриваются. Данные литературы [41,45] и опыт проведения эксперимента показывают, что определяющей среди помех второго класса является сигнал прямой передачи с изучающей антенны на приёмную. Отношение сигнал /помеха, для этого вида помехи, зависит от выбора конфигурации антенной системы, основных параметров приёмно-излучающего тракта системы и способа измерения сигнала. Поэтому, этот вопрос будет отдельно рассмотрен в последующих двух главах. Здесь- же представим оценки амплитудных значений оставшихся видов помех.