Способ обнаружения диэлектрической мины и устройство для его реализации

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ(71) Заявитель Учреждение образования Военная академия Республики Беларусь(72) Авторы Гринкевич Антон Витальевич Савенко Сергей Александрович Василин Николай Яковлевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Военная академия Республики Беларусь(57) 1. Способ обнаружения диэлектрической мины, заключающийся в том, что исследуемую поверхность грунта облучают зондирующим линейно-частотно-модулированным сигналом, принимают отраженный сигнал, отличающийся тем, что формируют зондирующий сигнал с девиацией частоты порядка 1 ГГц , отраженный сигнал смешивают путем перемножения с опорным сигналом, частоту которого выбирают такой, чтобы выделить сигнал на разностной частоте, пропорциональной глубине установки мины, полученный сигнал преобразуют в цифровой вид, вычисляют оценку корреляционной матрицы в соответствии с выражением 1 10792 1 2008.06.30 где К - количество временных выборок или зондирований- вектор отсчетов выходного сигнала смесителя Н - надстрочный индекс, обозначающий операцию эрмитова сопряжения, вычисляют обращенную оценку корреляционной матрицы сигнала, например, методом окаймления и вычисляют оценку разностной частоты опорного и принятого сигналов посредством алгоритма, реализующего метод максимального правдоподобия в соответствии с выражением 1(2)где ( )вектор обзора по частоте,причем частотуизменяют в пределах от нуля до, которую определяют из соотношения 2,0 где- максимально требуемая глубина обнаружения- ширина спектра зондирующего сигнала- скорость распространения электромагнитной волны в грунте 0 - длительность зондирующего сигнала,вычисляют модуль полученного сигнала и получают его изображение, по виду которого судят об обнаружении мины, ее толщине и глубине установки. 2. Устройство для обнаружения диэлектрической мины способом по п. 1, содержащее генератор зондирующего линейно-частотно-модулированного сигнала, первым выходом соединенный с передающей антенной, а вторым выходом - с первым входом смесителя,приемную антенну, аналогово-цифровой преобразователь, блок вычисления оценки корреляционной матрицы сигнала, блок вычисления обращенной оценки корреляционной матрицы сигнала, блок реализации алгоритма вычисления оценки разностной частоты опорного и принятого сигналов методом максимального правдоподобия, блок формирования вектора обзора по частоте, при этом приемная антенна через усилитель мощности соединена со вторым входом смесителя, выход которого соединен со входом аналоговоцифрового преобразователя, выход которого через последовательно соединенные блок вычисления оценки корреляционной матрицы сигнала и блок вычисления обращенной оценки корреляционной матрицы сигнала соединен с первым входом блока реализации алгоритма вычисления оценки разностной частоты опорного и принятого сигналов методом максимального правдоподобия, второй вход которого соединен с выходом блока формирования вектора обзора по частоте, а выход - через вычислитель модуля с устройством отображения. Изобретение относится к области обнаружения диэлектрических объектов в плотных средах, в частности диэлектрической мины в грунте. Известен способ (устройство, реализующее данный способ) обнаружения диэлектрической мины, основанный на облучении поверхности инфразвуковыми волнами, после чего измеряется мощность флуктуаций электрического поля в диапазоне 1-1000 Гц, а о наличии мины судят по превышению мощности флуктуаций электрического поля собственных флуктуаций электрического поля Земли 1. Наиболее близким к предлагаемому способу является способ обнаружения диэлектрической мины, основанный на облучении исследуемой поверхности линейно-частотно 2 10792 1 2008.06.30 модулированным сигналом и последующей классической корреляционной обработкой,т.е. произведением отраженного и опорного сигналов с последующим выполнением преобразования Фурье при помощи спектроанализатора 2, с. 65. Однако способ и устройство, реализующее данный способ, не обеспечивают требуемой точности определения глубины и толщины мины и требуют использования широкополосных зондирующих сигналов. Целью изобретения является повышение надежности поиска диэлектрической мины увеличение точности определения глубины установки мины и ее толщины за счет повышения разрешающей способности по глубине снижение требований к ширине спектра зондирующего сигнала. На чертеже представлена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа. На фиг. 1 показаны генератор 1 линейно-частотно-модулированного сигнала, передающая антенна 2, мина 3, приемная антенна 4, усилитель мощности 5, смеситель (перемножитель) 6, аналогово-цифровой преобразователь 7, блок 8 вычисления оценки корреляционной матрицы сигнала, блок 9 вычисления обращенной оценки корреляционной матрицы, блок 10 реализации алгоритма вычисления оценки разностной частоты методом максимального правдоподобия, блок 11 формирования вектора обзора по частоте, вычислитель модуля 12, устройство отображения 13. Способ реализуется следующим образом. Поверхность земли облучается частотно-модулированным сигналом с линейной или дискретной перестройкой частоты. Если в земле присутствует мина, то за счет разностей диэлектрических проницаемостей мины и земли возникает отраженный сигнал. Перемножение принятого сигнала, содержащего отраженный сигнал, и опорного сигнала, частоту которого специально подбирают, позволяет выделить разностную частоту. Разностная частота пропорциональна глубине установки мины. Оценка разностной частоты осуществляется на основе алгоритма, реализующего метод максимального правдоподобия, при помощи устройства, представленного на фиг. 1. Устройство работает следующим образом. Генератор 1 формирует линейно или дискретно частотно-модулированный сигнал с девиацией частоты порядка 1 ГГц, который излучается передающей антенной 2. Когда зондирующий сигнал достигает глубины залегания мины 3, происходит скачкообразное изменение диэлектрической проницаемости среды, что приводит к возникновению отраженного сигнала. Сигнал, отраженный от поверхности мины 3, принимается приемной антенной 4 и через усилитель мощности 5 поступает на смеситель (перемножитель) 6. На второй вход смесителя (перемножителя) 6 поступает опорный сигнал с генератора 1. На выходе смесителя 6 выделяется разностная частота, пропорциональная глубине установки мины. Сигнал с выхода смесителя 6 поступает на аналогово-цифровой преобразователь. Частота дискретизации выбирается, исходя из теоремы Котельникова. Цифровой сигнал поступает на блок 8 вычисления оценки корреляционной матрицы сигнала, роль которого выполняет спецвычислитель. Обращение оценки корреляционной матрицы производится в блоке 9 программно, используя, например, метод окаймления или при помощи спецвычислителя. В блоке 10 реализации алгоритма вычисления оценки разностной частоты методом максимального правдоподобия 3, с. 86, 4, с. 419 оценка обратной корреляционной матрицы перемножается слева и справа на вектор обзора по частоте, формируемый блоком 11. Модуль полученного сигнала вычисляется в блоке вычисления модуля 12, с выхода которого сигнал поступает на устройство отображения 13. Решение об обнаружении принимает оператор. Если в грунте присутствует мина 3, то сигнал, поступающий на смеситель 6, является суммой сигналов, отраженных от различных поверхностей (поверхности земли верхней и нижней поверхностей мины). 3 10792 1 2008.06.30 Выходной сигнал смесителя 6 является суммой гармонических сигналов на разностных частотах. Оценка корреляционной матрицы сигнала производится в блоке 8 в соответствии с выражением 1 Ф,1 где К - количество временных выборок (зондирований)- вектор отсчетов выходного сигнала смесителя- надстрочный индекс, обозначающий операцию эрмитова сопряжения. Обращенная оценка корреляционной матрицы, формируемая блоком 9, поступает на блок 10 реализации алгоритма вычисления оценки разностной частоты методом максимального правдоподобия в соответствии с выражением 1(2)где ( )вектор обзора по частоте, формируемый блоком 11. Частотаизменяется в пределах от нуля до , которая определяется выражением 2,0 где- максимально требуемая глубина обнаружения- ширина спектра зондирующего сигнала- скорость распространения электромагнитной волны в грунте 0 - длительность зондирующего сигнала. Если на частотеесть сигнал, то он проходит на устройство формирования модуля без искажений, а компоненты спектра на остальных частотах режектируются, что обеспечивает более высокое разрешение по частоте (глубине), чем классическое преобразование Фурье. Интенсивность отраженного сигнала, следовательно, и вероятность обнаружения мины 3 зависят от диаметра мины 3, глубины ее залегания, параметров грунта. Наибольшая глубина обнаружения порядка 1 м реализуется при отыскании противотанковых мин в сухом песке. На фиг. 2 представлен одномерный радиолокационный глубинный портрет с установленной на глубине 0,1 м противотанковой миной ТМ-62 в пластмассовом корпусе, полученный при помощи спектроанализатора, реализующего преобразование Фурье с прямоугольным окном, для 3 ГГц, Т 02 мс, К 256 здесь 1 - отражение от поверхности земли 2 - отражение от верхней границы мины 3 - отражение от нижней границы мины. На фиг. 3 представлен одномерный радиолокационный глубинный портрет с установленной на глубине 0,1 м противотанковой миной ТМ-62 в пластмассовом корпусе, полученный при помощи алгоритма, реализующего метод максимального правдоподобия, для 3 ГГц, Т 02 мс, К 256 здесь 1 - отражение от поверхности земли, 2 - отражение от верхней границы мины, 3 - отражение от нижней границы мины. На фиг. 4 представлен подповерхностный профиль (в виде скан линий) при проходе по полосе с установленной на глубине 0,05 м противопехотной миной ПМН и установленной на глубине 0,1 м противотанковой миной ТМ-62 в пластмассовом корпусе, полученный при помощи спектроанализатора, реализующего преобразование Фурье с прямоугольным окном, для 1,3 ГГц, Т 02 мс, К 256 здесь 1 - поверхность земли, 2 мина ПМН, 3 - мина ТМ-62. 4 10792 1 2008.06.30 На фиг. 5 представлен подповерхностный профиль (в виде скан линий) при проходе по полосе с установленной на глубине 0,05 м противопехотной миной ПМН и установленной на глубине 0,1 м противотанковой миной ТМ-62 в пластмассовом корпусе, полученный при помощи алгоритма, реализующего метод максимального правдоподобия, для 1,3 ГГц, Т 02 мс, К 256 1 - поверхность земли, 2 - мина ПМН, 3 - мина ТМ-62. Улучшение разрешающей способности по глубине за счет применения алгоритма, основанного на методе максимального правдоподобия, показано на фиг. 6, где приведены графики улучшения разрешающей способности по глубине в зависимости от отношения сигнал/шум принимаемого сигнала для двух, четырех и шести отражающих поверхностей. На фиг. 6 величина- количество отражающих поверхностей ЕБПФ/Ад.алгор. относительный коэффициент увеличения разрешающей способности по частоте, линейно связанный с разрешением по глубине. Здесь БПФ - разрешающая способность по глубине,получаемая при применении классического быстрого преобразования Фурье, Ад.алгор. разрешающая способность по глубине, получаемая при применении алгоритма, основанного на методе максимального правдоподобия. Источники информации 1. А.с. СССР 1421036, МПК 541 Н 11/12, 1987. 2. Финкельштейн М.И. и др. Подповерхностная радиолокация. - М. Радио и связь,1994. - 216 с. 3. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М. Радио и связь, 1986. - 446 с. 4. Марпл С.Л. мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Под ред. И.С. Рыжака. - М. Мир, 1990. - 584 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6