Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методов обнаружения движущихся металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов обнаружения движущихся металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах"

На правах рукописи

Плешакова Екатерина Вячеславовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ ДВИЖУЩИХСЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В НЕПРОВОДЯЩИХ И СЛАБОПРОВОДЯЩИХ СРЕДАХ

Специальность 25.00.20 "Геомеханнка, разрушение горных порол» рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2006

Работа выполнена в Институте горного дела Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук Опарин Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Кулаков Геннадий Иванович

Защита состоится «21» декабря 2006 г. в 10®® часов на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 в Институте горного дела Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54,

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИГД СО РАН. Автореферат разослан «20» ноября 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

доктор технических наук Поллер Борис Викторович

Ведущая организация - Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. АЛ. Трофимука СО РАН

доктор технических наук

Попов Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Особенности распространения электромагнитных волн в геосредах широко используют при создании устройств дм решения фундаментальных задач горного дела. Одним из актуальных направлений является обнаружение различного рода аномалий с помощью электромагнитных методов (индукционного, магнитометрического, радиолокационного, радиопросвечивания и т.п.). С помощью таких методов можно получить информацию о наличии объектов (например, коммуникаций, трубопроводов, строительной арматуры, бурильного оборудования и т.п.), расстоянии до них и по возможности определить материал, из которого изготовлен объект поиска (далее ОП). Поэтому возникает необходимость г создан ни компактных, помехоустойчивых систем обнаружения,

В связи с тем, что в последние годы широкое распространение получил бестраншейный способ прокладки подземных коммуникаций с помощью специальных машин - пневмопробойников, актуальным стал вопрос определения координат движущихся подземных объеетов. Существующие зарубежные и отечественные системы определения координат подземного технического устройства не обеспечивают достаточную дальность, вследствие работы по магнитной компоненте электромагнитного поля, и достоверность определения местоположения, а также помехоустойчивость по отношению к коммуникациям и металлическим объектам, из-за работы в низкочастотной области (единицы-десятки кГц). Использование ультракоротковолнового (УКВ) диапазона повысит помехоустойчивость систем обнаружения, упростит конструкцию, сделает ее компактной, улучшит энергетические показатели, а работа по электрической компоненте электромагнитного поля - повысит дальность метода обнаружения

движущегося пневмопробойника в грунте (т.к. электрическая компонента элек-

£

тромагнитного поля связана с магнитной компонентой соотношением: Я = —,

где Z- сопротивление среды).

Целью диссертационной работы является разработка методов обнаружения движущихся проводящих ОП в непроводящих н слабогтроводящих средах, а так же выбор оптимальных методов обнаружения для решения конкретных задач.

Идея работы состоит в использовании УКВ диапазона (десятки МГц) для повышения помехоустойчивости и чувствительности индукционного метода обнаружения токопроводящих объектов, метода обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника в грунте, а

также использование движущихся подземных объектов в качеств антенн простейшего типа для получения приемлемых для обнаружения характеристик.

Объект исследования - геосреда с движущимися в ней токопроводяадимн

ОП.

Предмет исследований — характер и закономерности взаимодействия проводящего ОП с системой обнаружения.

Задачи исследований;

- для метода радиопросвечивания определить плотность потока мощности в точке приема, создаваемую изотропным излучателем, расположенным в массиве горных пород. Обеспечить учет зависимости электромагнитных свойств горных пород от рабочей частоты передатчика;

- рассчитать основные параметры индукционного датчика (индуктивность, дальность обнаружения) при его работе в УКВ диапазоне на небольших дальностях (< Я/4, где X - длинна волны) при размерах объекта, соизмеримых с размерами датчика;

- разработать варианты практической реализации индукционного обнаружителя металлических тел в УКВ диапазоне, провести экспериментальные исследования его чувствительности и дальности обнаружения эталонных металлических объектов;

- разработать и реализовать метод обнаружения и определения пространственной ориентации пневмопробойника, движущегося горизонтально в однородной среде, при минимальных вмешательствах в его конструкцию;

• практически проверить заявленные преимущества предлагаемых методов.

Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта; сопоставление теоретических и экспериментальных исследований индукционного метода обнаружения в УКВ диапазоне; математическое моделирование и экспериментальное исследование диаграммы направленности модели пневмопробойника; опытная проверка разработанного метода определения пространственной ориентации пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1) повышение рабочей частоты до УКВ диапазона улучшает конструктивные характеристики (вес, габариты) и чувствительность индукционной измерительной системы;

2) для излучающей антенны, расположенной в грунте, появление дополнительных лепестков и сближение основных лепестков диаграммы направленно, ли, уровень которых оценивается по половинной мощности и зависит от алек-

тромагнитных свойств горных пород, происходит на более низкой частоте, чем для воздушной среды, что повышает разрешающую способность по углу ори реализации систем обнаружения подземных объектов;

3) использование метода пеленгации дм создания системы обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойннка позволит более точно отслеживать его координаты в грунте.

Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических, экспериментальных лабораторных и натурных данных, полученных с помощью современных методов исследований в реальных условиях.

Научная новизна диссертации:

- разработаны методики расчета параметров индукционного датчика для обнаружения металлических объектов соизмеримых с размерами датчика, в непроводящей среде для УКВ диапазона электромагнитных волн;

- установлено, что при реализации индукционного метода обнаружения в УКВ диапазоне упрощается конструкция системы обнаружения за счет объединения каналов приема/передачи, повышается чувствительность системы;

- разработан и обоснован метод радиопросвечивания для определения пространственной ориентации пневмопробойннка в горизонтальной плоскости в грунте, при котором пневмопробойник используется в качестве передающей антенны простейшего типа.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена автором по результатам исследований, в которых она принимала непосредственное участие: при проведении теоретических расчетов и экспериментальных работ, математическом моделировании с использованием современных компьютерных программ.

Практическая ценность работы:

- предложена реализация индукционного метода обнаружения токопрово-дящнх ОП в УКВ диапазоне, а так же варианты практического исполнения индукционного обнаружителя металлических тел;

- разработан и реализован метод, позволяющий отслеживать курс движения пневмопробойннка в горизонтальной плоскости в груше, использование данного метода позволит расширить возможности применения пкевмопробой-инков.

Реализация результатов работы; создан опытный образец индукционного датчика, экспериментально исследовано его взаимодействие с эталонными металлическими объектами; создано оборудование, а именно: приемное устройство, генератор, модель передающей антенны — несимметричного вибратора для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойннка в грунте.

Проведгаы его полевые испытания. Для контроля работоспособности генератора, подключенного к передающей антенне, и для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойника в воздухе был изготовлен индикатор электрической компоненты электромагнитного поля.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях: «Информационная безопасность в системе высшей школы» {г. Новосибирск, 2000), «Рдултовскне научные чтения» (г. Санкт-Петербург, 2003), «Вооружение, безопасность, конверсия» (г. Пенза, 2004), «Наука. Промышленность. Оборона» (1921 апреля 2006, г. Новосибирск); Международных конференциях: «Proceeding of a Second LASTED International Multi-Conference on Automation, control and information technology» (ACIT 2005, г. Новосибирск), «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2004), «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Новосибирск, 2006); научном симпозиуме «Неделя Горняка 2005» (г. Москва); часть работы является лауреатом конкурса молодежных проектов нм. М.А. Лаврентьева (2006-2007 г.) и конкурса «Лучшие аспиранты РАН 2006 года».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе два патента РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 1S3 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 90 наименований. Диссертация содержит 53 рисунка, 33 таблицы.

Автор благодарен своему научному руководителю член-корреспонденту РАН, д.ф-м.н. В.Н. Опарину за помощь в выборе темы работы и проведении исследований, за требовательность к работе, выражает признательность своим учителям Бсланову Б.Е. и д.т.н. Легкому В.Н. за щедрость, с которой они делятся своим опытом и практическими знаниями, помощь и внимание к работе, а также сотрудникам лаборатории механизации горных работ ИГД СО РАН за обсуждение работы, в особенности к.т.н. И.В. Тищенко за отзывчивость и помощь в подготовке и проведении экспериментов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и идея работы, научная новизна и практическая ценность, а также научные положения, выносимые на защиту,

В первой главе - "Анализ методов обнаружения движущихся металлических объектов в непроводящих н слабопроводящих средах1* - представлен

обзор наиболее часто применяемых электромагнитных методов обнаружения движущихся проводящих ОП в непроводящих и слабопроводащих средах (индукционный, феррозондовый, радиолокационный методы и метод радиопросвечивания). Анализ сделан на основании современных исследований, проведенных ГЛ. Щербаковым, А.И. Щедриным, ИЛ. Осиновым, А.П. Омельянен-ко, Б.П. Бсрезанским, АД. Рубаном, ЮН. Бауковым, В Л. Шкуратнгасом, С. О. Арбузовым, а также на основании данных в классической литературе по радиоволновым методам обнаружения ОП в массиве горных пород (М.И. Финкель-штейн), индукционному методу обнаружения токопроводяхцнх ОП (ЮЛ. Горбачев, Г.Ю. Берк) и феррозондовому методу (Ю.В. Афанасьев).

Выполнен анализ зарубежных и российских литературных источников по разработке систем обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника в грунте. Существенный объем исследований в данном направлении опубликован S. Finnsson, R. Peterson, В Л. Сырским, Е.А. Нестеровым, АД. Пахомовым, АД. Костылевым, В.В. Трубициным. Рассмотрены возможности использования акустического метода при обнаружении объектов, создающих собственные шумы и механические вибрации.

На основании исследований Б.В. Поллера и Г.Н. Щербакова представлена классификация радиопомех по частотному диапазону, оказывающих влияние на работу рассматриваемых систем обнаружения. Сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе - "Особенности распространения электромагнитных волн радиочастотного диапазона в слабопроводящих средах" - на основе исследований зависимости электрических параметров горных пород от рабочей частоты передатчика, проведенных МЛ. Фннкельштейном, ЭЛ. Аршем, В.Н, Кессепихом, произведен расчет плотности потока мощности, создаваемый изотропным излучателем, расположенным в массиве горных пород в точке приема

Р -D

для метода радиопросвечивания: Я * ~ - г'"'"", где Р^р =1Вт - излу-

чаемая мощность, D„p= 1 - коэффициент направленного действия передающей антенны, расстояние от изотропного излучателя до точки приема меняется в пределах от 1 до 60 м, а рабочая частота передатчика в пределах от 10й до Ю10 Ги, Г — удельное затухание электромагнитной волны на единицу длины, зависит от электрических свойств горной породы. При относительной чувствительности приемника ] 20 дБ (10'12 Вт или ] О"6 В) ш данным расчетов сделаны следующие выводы:

• приемлемое для решения технических задач обнаружения подземных объектов методом радиопросвечивания значение плотности потока мощности в

точке приема (дальность превышает 50-60 м для частот 104 Гц - 3-10® Гц) имеет место для сред: сухие и увлажненные пески, известняки, сланцы, влажные угли и граниты, асфальт, бетон, кирпич, пресный лед, мрамор, сухие угли и гранит, кальцит, доломит, гипс, каменная соль, снег;

- для сред типа: суглинки и глины с достаточно большой влажностью (XV > 5%) максимальная дальность обнаружения на частоте 10* 10й Гц не превышает 20 м, на частоте 30-10вГц-8 м, на частоте 10(И0вГц-5 м;

- для сред типа: суглинки и глины при XV < 5%, морские льды, пески и песчаники с большой влажностью >15%) максимальная дальность обнаружения на частоте 10-106Гцне превышает 35 м, на частоте 30* 10* Гц —15 м, на частоте МОЮ6 Гц- 10 м.

В третьей главе — "Разработка индукционного метода обнаружения металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах" - автором впервые проведен анализ методик расчета параметров (рабочей частоты, индуктивности, дальности обнаружения) индукционного датчика в УКВ диапазоне при его взаимодействии с токопроводящим ОП, соизмеримым с размерами антенны датчика (рис. 1).

Конструктивно индуктивный датчик представляет собой кольцевую одно-витковую экранированную рамочную антенну (рамку), являющуюся одновременно индуктивностью колебательного контура автогенератора.

ОП обладает электропроводностью и магнитной проницаемостью. При появлении ОП вблизи рамки, по которой протекает переменный электрический ток, создается переменное электромагн итное псше, возбуждающее в ОП вихревые токи. В результате возникновения вихревых токов происходит изменение индуктивности (ДЬ) измерительного датчика, которое эквивалентно изменению его резонансной частоты (ДО- По минимальному Д£ которое способно зарегистрировать устройство обработки информации, судят о максимальной дальности обнаружения металлических ОП. При расчетах дальности обнаружения ОП индукционным датчиком автором были приняты следующие допущения:

• активной компонентой вносимого сопротивления можно пренебречь;

• фронт волны, создаваемой датчиком, плоский;

Датчик радиусом Й1

ОП с эхвввхлеятаым радиусом Ш

Рис. 1. Взаимодействие объекта поиска с индукционным датчиком

2 Ь±М . где М - взаимная индуктивность двух кощуров: М -» ДИ)

• размеры ОП одного порядка с размерами рамки;

• амплитуда тока, протекающего по рамке - величина постоянная;

• расстояние между ОП и датчиком меньше, чем "к!А.

Разработаны две методики расчета дальности обнаружения металлического ОП индукционным датчиком:

1, Расчет ¿И[К) осуществлен по методу ««за-имиой и идуктивности», представленному в литературе (Брунов БЛ., Гольденберг Л.М. Теория электромагнитного поля ~ М.Лл Гос. элетротехн, издат, 1956.-192с.);

2. Расчет Л^Ь) осуществлен по методу «электромагнитного поля», представленному в литературе (Жуков Р.Ф. Системы, приборы и устройства подводного поиска — М.: Воениэдат, 1972.- 184с).

Использование УКВ диапазона в данном случае повысит значение и соответственно чувствительность индукционного датчика. С увеличением резонансной частоты происходит уменьшение индуктивности колебательного контура, что улучшает конструктивное исполнение индукционной измерительной системы (уменьшение веса и габаритов).

Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен индукционный датчик с рабочей частотой 86 МГц, радиус рамки 0,06 м (рис. 2).

40 //„А" где к - волновое число

-ни

21Ш5Е

_ спектра

Рве. 2. Принципиальная схема индукционного датчика (рабочая частота 86 МГц)

Рассчитанные значения изменения частоты индукционного датчика (Мб МГц, II|=0,0б м), в зависимости от расстояния до ОП по двум методикам, сравнивались с экспериментальными данными (табл. 1).

ТАБЛИЦА 1. Сравнение рассчитанного »вменения частоты индукционного датчика с

экспериментальными данными в зависимости от расстояния до ОП (сталь_ пая пластина размером 0,13 м*0,12 м)........

Рассгоимис между ОП л датчиком (в м) Эсспершитыьно «смеренное юшнеы» чистоты (кГц) Рхссчитшгное изменение частоты 1ю исгиду вазадцдюй тцдоптсо-ст» (кГц) Рассчихаотое кмкменнв часто™ по методу мэлео ТТЮШЛППЬНФЛа!»» (кГц)

0.10 212.50 553.00 240.00

0.15 45.00 328.30 67.00

0.20 12.00 190.00 12.00

0,25 5,00 125.КО 4.00

0.30 - 72.00 0.32

0.35 - 47.70 0,07

0.40 - 33.08 0.05

Теоретические расчеты по методу «взаимной индуктивности» в несколько раз отличаются от экспериментальных данных. Имеются основания предположить, что данный метод больше подходит для низкочастотного диапазона. Наиболее приемлем для расчета параметров индукционного датчика в УКВ диапазоне метод «электромагнитного поля».

Теоретически оценивалась дальность обнаружения подземных токопроводящих объектов индукционным методом, реализованным в УКВ диапазоне. Индукционным методом возможно обнаружение юкопроводяцщх ОП в грунте на дальностях до 0,6 м при размерах ОП, равных размерам антенны датчика, но невозможно определение координат подземных объектов.

Разработан и запатентован вариант практической реализации радиочастотного обнаружителя металлических тел1, работающий по индукционному принципу, с цепью автоподстройки частоты и объединенным каналом приема/передачи. Устройство прибора иллюстрируется структурной схемой на рис. 3 и состоит из магнитной антенны (например, рамочной или щелевой) 1, генератора 2, смесителя 3, полосового фильтра 4, блока детектирования 5, порогового устройства 6, индикатора обнаружения 7, индикатора готовности Я, блока автоподстронки частоты 9, гетеродина 10, модулятора 11.

1 Патент РФ №223985

н

—6 |—

11

10 9

8

Рис. 3. Структурная схема радиочастотного обнаружителя металлически* теп

Устройство работает следующим образам. При взаимодействии с металлическим ОП изменяются реактивные параметры магнитной антенны 1 и, соответственно, изменяется частота генератора 2, «по приводит к изменению разностной частоты колебаний на выходе смесителя 3, которая равна разности частот генератора 2 и гетеродина 10. При отклонении разностной частоты изменяется амплитуда колебаний на выходе полосового фильтра 4, которая детектируется блоком детектирования 5. Продетекотированное напряжение переключает пороговое устройство б в положение, при котором по первому выходу включается индикатор обнаружения 7 и выключается индикатор готовности 8. Индикатор обнаружения 7 находится во включенном состоянии до момента выхода ОП из диаграммы направленности обнаружителя. Применяя различные полосовые фильтры, отличающиеся полосой пропускания, можно изменять чувствительность датчика. В качестве полосового фильтра могут быть использованы: ЬС-калебательный контур, фильтры на поверхностно акустических волнах, кварцевые фильтры. Наибольшую чувствительность обеспечивают кварцевые фильтры, имеющие наиболее узкую полосу пропускания.

Разработан и запатентован амплитудно-фазовый способ обнаружения металл осодержащих объектов и радиочастотный металлодетектор для его осуществления2, с помощью которого можно получать информацию об ОП с точностью до фазы. Амплитудно-фазовый метод позволяет:

•повысить разрешающую способность по дальности и чувствительность за счет использования радиочастотного и УКВ диапазонов волн;

•исключить влияние низкочастотных помех и помех амплитудного характера, обусловленных наводками от работы технических систем;

•исключить влияния эффекта синхронизации генераторов в процессе об* наружения на работу системы.

1 Патент РФ №2174391

В четвертой главе — "Разработка метода обнаружения н определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника В горизонтальной плоскости в грунте" - предлагается радиочастотный метод определения пространственной ориентации пневмопробойника в фунте, при котором пробойник используется в качестве передающей антенны простейшего типа -несимметричного вибратора для формирования диаграммы направленности, обеспечивающей достаточную для обнаружения интенсивность сигнала на входе приемных антенн. Для этого через диэлектрик к задней гайке пневмопробойника присоединяется более короткое второе плечо антенны ("противовес"). Генератор с заданной мощностью и рабочей частотой посредством радиочастотного кабеля центральной жилой подключается к пробойнику, а экранированной частью к "противовесу". Расположение приемников в приемном приямке (а не на поверхности земли) и использование УКВ диапазона позволяет более точно отслеживать угол отклонения пневмопробойника от заданного курса в горизонтальной плоскости (рис. 4) и повысить помехоустойчивость метода по отношению к внешним и естественным помехам.

приемник 1

прмеьивк 2

Рис. 4, Конструктивна» схема реализации метода обнаружения и определения пространственной ориентации пневмопробойника в горизонтальной плоскости

Пневмопробойншс с подключенным к нему генератором движется в среде (супесь или суглинок) по направлению к приемникам и имеет диаграмму направленности в виде воронки. Приемники расположены в приемном приямке, изначально работают по уровню мощности, определяемому расстоянием между приемником и передатчиком, расстоянием между приемниками (базой) и электрическими свойствами среды, например, точки 1-1 на рис. 5. При этом разность мощностей на входе приемников теоретически равна нулю (Р| - Рг=0). При сближении пневмопробойника с приемниками происходит увеличение вектора напряженности электромагнитного поля, и работа осуществляется по точкам 2-2, затем по точкам 3-3.

Рис. б. Отклонение плевмопробойника от заданного курса движения ва угол а

При отклонении пневмопробойннка огг заданного курса (рис. 6) на вход приемников по-5- Разрез диаграммы направленности ступают разные значения мощностей, кото-пкевмопробойника в горизонтальной плоскости его движения

рые эквивалентны амплитудам входных напряжений ит| и и^:

2 ■

л-

и.

'^'^лАНТг

>и.

Значения мощностей Р{ и Р} определяются плотностью потока мощности в точках приема (которая зависит от расстояния между передатчиком и приемником, электромагнитных свойств геосреды), а также параметрами передающей и приемной антенн в соответствии с выражением для расчета мощности на входе приемника:

4ЯЙ1

где ~ коэффициент направленного действия передающей антенны; Р„„р -мощность передатчика; действующая площадь приемной антенны.

На выходе устройства обработки информации формируется разностный сигнал: = К^ ■ ([/„,-Иш1), где К^ - коэффициент усиления приемного устройства с учетом детектирования сигнала. По уровню ЛИ^ судят об угле отклонения гшевмопробойника а.

Представлены рассчитанные зависимости разности напряжений на входах приемников Дик от угла отклонения пиевмопробойника а от заданного курса,

расстояния К между передатчиком и приемниками, базой между приемниками для среды суглинок на рис. 7 и д ля среды супесь на рис. 5.

а) база-2 м, 11=10 м б) <ша - 2 м, К-5 м

Рис. 7, Зависимость Л1Ма) да» среды суглинок (е - 8)

в ю зо л о а*

а) база -1 м, К=20 м

■■ . ___1-г

г) база -2 м, Я-20м

АО„и2

10 X 30 4

в» в* ■

в)база-1м,И=5м д) Саза-2 м, 11=5 м

Рис. 3. Зависимость ди„{а) для среды супесь (е =

При движении пневмопробоЗиик не может резко отклоняться от заданно* го курса, поэтому рабочий участок будет определяться отклонением порядком на 5-10°.

В четвертой главе получены следующие основные результаты:

• разработан метод обнаружения и определения пространственной ориентации пневмопробойника в грунте в горизонтальной плоскости, при котором техническое устройство используется в качестве антенны простейшего типа для формирования заданной диаграммы направленности;

• определена оптимальная рабочая частота для реализации метода - около 150 МГц, при которой обеспечивается необходимая разрешающая способность по дальности;

• проведено мате маги ческое моделирование диаграммы направленности модели пневмопробойника (марки ИП4603) в воздухе и в груше посредством программы HFSS Agilent 5.6. Установлено, что для излучающей антенны, расположенной в грунте, появление дополнительных лепестков и сближение основных лепестков диаграммы направленности, уровень которых оценивается по половинной мощности и зависит от электромагнитных свойств горных пород, происходит на более низкой частоте, чем для воздушной среды. Это повышает разрешающую способность по углу при реализации систем обнаружения подземных объектов;

• разработан графоаналитический метод расчета изменения напряжения на входе приемников. По результатам теоретических расчетов сделан вывод, что система способна регистрировать отклонения пневмопробойника от заданного курса на 5° и более на расстоянии 20 м для среды супесь и 10 м для среды суглинок при чувствительности приемников единицы мкБ;

• расположенные на расстоянии 1 м or пневмопробойника подземные коммуникации диаметром до 1 м наводят отраженный сигнал в приемнике, который по напряжению меньше полезного сигнала, создаваемого передатчиком, более чем в 5 раз.

При разработке метода определения пространственной ориентации пневмопробойника в грунте впервые предлагается применять пеленгацию радиотехническим методом, который до настоящего времени используется для определения координат только наземных объектов в воздухе и морских объектов.

В пятой главе - "Экспериментальные исследования диаграммы направленности модели пневмопробойника в воздухе и в грунте" - представлена практическая реализация разработанного метода определения пространственной ориентации пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте, а именно: схемы передающего устройства н устройства обработки информации. Разработана схема генератора, мощность излучения которого около 1 Вт, частота генерации около 150 МГц. В качестве передающей антенны используется несимметричный вибратор, в котором роль более длинного плеча выполняет

пневмопробойник (в данном случае ИП4603) или модель его заменяющая - дюралюминиевая труба диаметром 40 мм и длинной 1500 мм, другое (более короткое) плечо вибратора - дюралюминиевый диск диаметром 115 мм, толщиной 10 мм. Оба плеча вибратора разделены друг от друга диэлектриком в визе диска из полистирола диаметром 120 мм нтолщиноЙ 20 мм.

Устройство обработки информации представлено на рис. 9 и работает следующим образом. Сигнал с приемной антенны поступает на малощумящий усилитель ВЧ (антенный усилитель SWA777). Преобразователем частоты служит микросхема К174ПС1, гетеродин в ней настроен на частоту ниже рабочей на 10.7 МГц, в данном случае на 140 МГц. Перестройка частоты гетеродина приемника производится изменением индуктивности контура гетеродина. Далее сигнал через полосовой фильтр, настроенный на частоту ЮЛ МГц, поступает на усилитель ПЧ, выполненный на микросхеме К174ХА6.

Полезный сигнал в виде постоянной составляющей, пропорциональный напряженности электромагнитного поля, выделяется на выходе 14. При этом используется линейный участок зависимости 1^(4,,), на котором и№ прямо пропорционально электрической компоненте электромагнитного поля. С 14-х выходов микросхем К174ХА6 Приемника 1 и Приемника 2 постоянные составляющие сигналов поступают на сумматор, где формируется разностный сигнал со знаком «плюс» или «минус», далее этот сигнал поступает на индикатор. По знаку разностного сигнала судят об отклонении пневмопробойника вправо или влево.

В качестве приемных антенн, с целью повышения точности работы системы, целесообразно использовать антенны компактных размеров с более узкой диаграммой направленности, например, типа «волновой канал» - директорные антенны. Одновременное применение рефлектора и директора приводит к увеличению коэффициента направленного действия антенны.

Для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойника в воздухе был изготовлен индикатор электрической компоненты электромагнитного поля: симметричный вибратор (полувопновой), нафуженный на детектор (схема на рис. 10). Изменение сигнала контролировалось микроамперметром.

Рис. 10. Принципиальна» электрическая схеыа индикатора электрической компоненты электромагнитного подл

Измерение диаграммы направленности проводилось в условиях отсутствия помеховых воздействий (зданий, сооружений, конструкций из металла и т.д.). При выполнении эксперимента модель поднималась на высоту около 2 м над поверхностью земли. Искажениями диаграммы направленности в результате воздействия отражающих свойств земли в первом приближении можно пренебречь. При измерениях диаграммы направленности, для исключения амплитудных ошибок, расстояние между передающей и приемной антенной должно быть не менее б-Х, (в данном случае при м не менее 12 м).

На рис. II представлена экспериментальная диаграмма направленности модели пневмопробойника по электрической компоненте электромагнитного паля в воздухе, а на рис. 12 - результаты математического моделирования диаграммы в программе HFSS Agilent 5.6. Модель пневмопробойника располагается вдоль оси ОО.

Рис. П. Экспериментальная диаграмма рис. 12. Результат математического ыодедирова-

ваправлекносги модели пневмопробоВнн- кия диаграммы направленности по электрической

ка по электрической компоненте электро- компоненте электромагнитного доля дня модели

магнитного пол! в воздухе при частоте шквмооробойнюса, находящейся в воздухе при

Максимальное излучение имеет место при углах 45° и 315° - как при теоретических расчетах, так и по данным эксперимента. В натурных исследованиях установлено, что малая часть "противовес" излучает энергию, в два раза меньшую, чем основное плечо антенны.

Для экспериментальных исследований диаграммы направленности по электрической компоненте электромагнитного паля модели пневмопробойника в грунте было изготовлено одно приемное устройство (рис. 9). Проведено два эксперимента: при расположении приемной антенны на поверхности земли (расстояние между приемной и передающей антеннами равно 2,7 м) и в приемном приямке (расстояние между приемной и передающей антеннами равно 5 м). В качестве передающей антенны применялась модель несимметричного вибратора с параметрами представленными выше. По результатам эксперимента получены следующие результаты (рис. 13-16);

генератора ISO МГц

частоте генератора 150 МГц

Ля*.

Рве. 13. Сравнение экспериментальных данных с результатом математического моделирования: 1-моделироваяие, 2 - экспериментальная диаграмма направленности. При расположении приемной антенны на поверхности земли

Рис. 14. Экспериментальная зависимость ¿Uwxta) при расположении приемной антенны на поверхности земля

Рис. 15. Сравнение экспериментальных данных с результатом математического моделирования: I-

моделвровакие, 2 - экспериментальная диаграмма Рис. 16. Экспериментальная завнен-

ваправлеиности. При расположении приемной иость Диш{а) при расположении сри-

антенны в приемном приямке емпой антенны в приемном приямке

Экспериментальные зависимости Аиш1(а) отличаются от рассчитанных зависимостей ¿U„(a) (см. рис. 7, 8 и рис.14, 16) на коэффициент, зависящий от коэффициента усиления приемного устройства и от различий по электромагнитным параметрам почвы (с, а), которые не могут быть точно учтены в реальной среде. Эксперимент показал, что рабочий участок на графике ДСГ^а) для случая расположения приемкой антенны в приемном приямке, как и при теоретических рассчитанных зависимостях AU„(a), на дальностях свыше 5 м определяется отклонением движущегося пневмопробойника от заданного курса на угол 10-12°. При расположении приемной антенны на поверхности земли максимум MJgwt имеет место при отклонении модели пневмопробойника на угол 20-25", что характеризует не достаточную точность при определении координат подземного объекта. На основании сравнения экспериментальных данных с результатами моделирования в программе HFSS Agilent 5.6. (рис. 13,15) сделаны

следующие выводы: при расположении приемной антенны в приемном приямке диаграмма направленности сужается, происходит концентрация энергии, излучаемой передатчиком в направлении расположения приемной антенны, что повышает точность определения координат подземного объекта. А использование метода пеленгации для создания системы обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойннка позволит более точно отслеживать его координаты в грунте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, на основе выполненного обобщения и анализа методов обнаружения металлических объектов в непроводящих и спабопроводящих средах, теоретических расчетов, математического моделирования посредством современных компьютерных программ н экспериментальных исследований предложены новые подходы при разработке систем обнаружения работающих на базе известных методов, которые позволят определять координаты движущегося подземного объекта, повысить чувствительность, помехоустойчивость и упростить конструкцию современных систем.

Основные научные и практические результаты заключаются в еле* дующем:

1. На основании литературного анализа установлены зависимости электромагнитных свойств геосред от рабочей частоты передатчика, что позволило рассчитать плотность потока мощности в точке приема для определения максимальной дальности обнаружения подземных объектов методом радиопросвечивания,

2. Предложены модели взаимодействия индукционной измерительной системы с проводящим ОП, размеры которого примерно равны размерам антенны датчика. Теоретически рассчитаны параметры индукционной системы (рабочей частоты, индуктивности, дальности обнаружения) в УКВ диапазоне,

3. Разработаны варианты практической реализации индукционного обнаружителя металлических тел, которые за счет использования УКВ диапазона позволили обеспечить повышенную чувствительность системы и упростить ее конструктивное исполнение (уменьшить вес и габариты).

4. Для определения координат движущегося пневмопробойннка в грунте в горизонтальной плоскости обоснована и предложена система обнаружения, состоящая из двух приемных устройств, расположенных горизонтально в приемном приямке, и передающего устройства. При этом пневмопробойник, дм фор-

формирования заданной диаграммы направленности, используется в качеств! передающей антенны простейшего типа - несимметричного вибратора, при ми нимальных вмешательствах в его конструкцию.

5. Произведено математическое моделирование диаграммы направленно ста модели пневмопробойника марки ИП4603 в воздухе и в геосредах типа суглинок и супесь. Результаты моделирования сравнивались с экспериментальна полученными диаграммами направленности для модели пиевмопробойннка.

6. Разработан графоаналитический метод расчета изменения напряжений на входе приемников. Установлено, что оптимальная рабочая частота, при которой мощность передающей антенны приемлемо сконцентрирована по направлению к приемникам, равна 150 МГц. По данным теоретических расчетов н результатам моделирования диаграммы направленности модели пиевмопробойннка марки ИП4603 сделан вывод, что система способна регистрировать отклонения подземного технического устройства от заданного курса на 5е и более на расстоянии 20 м для среды супесь и 10 м для среды суглинок при чувствительности приемников единицы мкВ.

7. Экспериментально доказано, что использование метода пеленгации при создании системы обнаружения и определения координат подземных объектов позволит более точно отслеживать положение объекта при его движении, а использование УКВ диапазона и размещение приемных антенн в приемном приямке позволяет повысить помехоустойчивость по отношению к естественным и внешним помехам, поскольку исключается прямая видимость.

8. Для проведения экспериментальных и натурных исследований изготовлены: передающее и приемное устройства. Измерены диаграммы направленности по электрической компоненте электромагнитного поля модели пиевмопробойннка » воздухе и в грунте. Результаты эксперимента сошлись с результатами моделирования в программе HFSS Agilent 5.6. с приемлемой точностью.

9. Экспериментально доказано, что при расположении приемной антенны в приемном приямке точность определения координат подземного объекта выше, чем при расположении приемной антенны на поверхности земли за счет сужения диаграммы направленности передающей антенны, т.е. концентрации энергии, излучаемой передатчиком, в направлении расположения приемной антенны.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Беланов Б.Е. Теоретическая модель металлодетектора [Текст] / Б.Е. Бе-ланов, EÜ. Плешакова // Всероссийская научно-практическая конференция «Информационная безопасность в системе высшей школы». - Новосибирск: НГТУ, 2000.-с. 72 - 75.

2. Плешакова Е.В, Аналитический метод расчета металлодетектора [Текст] /Е.В. Плешакова, Б.Е. Беланов //Безопасность информационных технологий. -М.: МИФИ, 2002. - №1.

3. Плешакова ES. Два метода расчета автогенераторного индуктивного датчика в качестве металлодетектора [Текст] / Е.В. Плешакова, Е.А. Уварова // Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии». - Новосибирск НГТУ, 2003. - Т. 2. - с. 43.

4. Плешакова Е.В. Расчет индуктивного датчика для автономных систем [Текст] / Е.В. Плешакова // «Рдултовские научные чтения» - С-Пб.: БГТУ (Во-енмех), 2003. - часть 2. - с. 8 - 11.

5. Плешакова ЕЛ. Индуктивный принцип построения датчиков обнаружения металлосодержащих и ферромагнитных объектов [Текст] / Е.В. Плешакова //Всероссийская научно-техническая конференция «Вооружение, безопасность, конверсия». - Пенза: Издательство ПТУ, 2004. - часть 2.-е. 89 - 93.

6. Плешакова Е.В. Высокочастотный металлодетектор для обнаружения скрытых токопроводящих объектов [Текст] / ЕВ. Плешакова //X международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» • Воронеж: НПФ САКВОЕЕ, 2004,- Т. 1.-е. 688-692.

7. Pleshakova К. Induction method for searching metal objects. High frequency metal detector for ifs operation [Text] / K. Pleshakova // Proceeding of a Second IASTED Internationa] Multi-Conference on Automation, control and information technology.N.:ACIT,2005.- p. 13-15.

8. Плешакова E.B. Радиочастотный метод обнаружения подземных токопроводящих объектов [Текст] / Е.В. Плешакова it Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2005. - с. 153 —156.

9. Плешакова Е.В. О влиянии электрических свойств горных пород и рабочей частот на формирование диаграммы направленности передающей антенны [Текст] / ЕВ. Плешакова // ФТПРПИ. - 2006.-№5. - с. 29 -39.

10. Патент РФ на изобретение № 2239S5. Радиочастотный обнаружитель металлических тел [Текст] / В.Н. Легкий, Б.Е. Беланов, EJ3. Плешакова // Опубл. Бюл. - 2004.-№31.

11. Патент РФ на изобретение №2276391. Амплитудно-фазовый способ обнаружения металлосодержащих объектов и радиочастотный (или СВЧ) ме-таллодетектор для его осуществления [Текст] / В Л. Легкий, Б.Е. Беланов, Eii. Плешакова, JLB. Шебалкова Н Опубл. Бюл. - 2006. - №13.

12. Плешакова Е.В. Индукционный метод обнаружения токопроводящих объектов [Текст] / ЕВ. Плешакова, М.В. Еремии // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (19-21 апреля). - Новосибирск, 2006. - с. 360 - 362.

13. Плешакова Е.В. Комплексная система металлодетекторов, обеспечивающая обнаружение металлических тел в заданном объеме пространства [Текст] / Е.В. Плешакова, О.В. Санков, В.Н. Легкий И Материалы VHI Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» - Новосибирск, 2006. -Т. 6. -с. 112-115.

14. Санков OB. Исследование диаграммы направленности миниатюрных феррозондовых датчиков [Текст] / О.В. Санков, Е.В. Плешакова, В.Н. Легкий // Материалы VIII Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» - Новосибирск, 2006. - Т. 6.-с, 128- 132.

Подписано к печати 15.11.2006 Формат 68 "84/16 Печ. л. 1.Тираж 100 экз. Заказ №25 Институт горного дела СО РАН 630091 г. Новосибирск, Красный проспект, 54

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Плешакова, Екатерина Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ методов обнаружения движущихся металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах

1.1. Феррозондовый и индукционный методы обнаружения.

1.2. Радиолокационный метод и метод радиопросвечивания.

1.3. Методы определения глубины и пространственной ориентации оборудования для проходки подземных скважин.

1.4. Помехоустойчивость систем обнаружения к естественным и индустриальным помехам.

1.5. Цели и задачи исследований.

Глава 2. Особенности распространения электромагнитных волн радиочастотного диапазона в слабопроводящих средах

2.1. Электрические характеристики геосред.

2.2. Коэффициент поглощения и дальность распространения электромагнитных волн в слабопроводящих средах.

2.3. Классификация геосред по электрическим свойствам.

2.4. Расчет плотности потока мощности в месте приема электромагнитных волн при известных параметрах радиопередающего устройства и электрических параметрах среды.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Разработка индукционного метода обнаружения металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах

3.1. Сравнительный анализ методик расчета параметров индукционного датчика (индуктивности, дальности обнаружения) с экспериментальными данными.

3.2. Варианты практической реализации индукционного обнаружителя металлических тел.

3.3. Исследование чувствительности индукционного датчика, работающего в УКВ диапазоне, при наличии помехи.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Разработка метода обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте

4.1. Устройство пневмопробойника и его работа в грунте.

4.2. Модель взаимодействия системы определения пространственной ориентации объектов с движущимся в грунте пневмопробойни

4.3. Оптимизация выбора частотного диапазона.

4.4. Расчет зависимости изменения напряжения на входе приемников от угла отклонения пневмопробойника.

4.5. Взаимодействие системы определения пространственной ориентации пневмопробойника в горизонтальной плоскости с помехами (подземными коммуникациями).

Выводы по четвертой главе.

Глава 5. Экспериментальные исследования диаграммы направленности модели пневмопробойника в воздухе и в грунте

5.1. Реализация схем передающего устройства и устройства обработки информации.

5.2. Измерение диаграммы направленности по электрической компоненте электромагнитного поля модели пневмопробойника в воздухе.

5.3. Измерение диаграммы направленности по электрической компоненте электромагнитного поля модели пневмопробойника в грунте.

Выводы по пятой главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методов обнаружения движущихся металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах"

Актуальность работы. Особенности распространения электромагнитных волн в геосредах широко используют при создании устройств для решения фундаментальных задач горного дела. Одним из актуальных направлений является обнаружение различного рода аномалий с помощью электромагнитных методов (индукционного, магнитометрического, радиолокационного, радиопросвечивания и т.п.). С помощью таких методов можно получить информацию о наличии объектов (например, коммуникаций, трубопроводов, строительной арматуры, бурильного оборудования и т.п.), расстоянии до них и по возможности определить материал, из которого изготовлен объект поиска (далее ОП). Поэтому возникает необходимость в создании компактных, помехоустойчивых систем обнаружения.

В связи с тем, что в последние годы широкое распространение получил бестраншейный способ прокладки подземных коммуникаций с помощью специальных машин - пневмопробойников, актуальным стал вопрос определения координат движущихся подземных объектов. Существующие зарубежные и отечественные системы определения координат подземного технического устройства не обеспечивают достаточную дальность, вследствие работы по магнитной компоненте электромагнитного поля, и достоверность определения местоположения, а также помехоустойчивость по отношению к коммуникациям и металлическим объектам, из-за работы в низкочастотной области (единицы-десятки кГц). Использование ультракоротковолнового (УКВ) диапазона повысит помехоустойчивость систем обнаружения, упростит конструкцию, сделает ее компактной, улучшит энергетические показатели, а работа по электрической компоненте электромагнитного поля - повысит дальность метода обнаружения движущегося пневмопробойника в грунте (т.к. электрическая компонента элек тромагнитного поля связана с магнитной компонентой соотношением: Н = —, где 2 - сопротивление среды).

Целью диссертационной работы является разработка методов обнаружения движущихся проводящих ОП в непроводящих и слабопроводящих средах, а так же выбор оптимальных методов обнаружения для решения конкретных задач.

Идея работы состоит в использовании УКВ диапазона (десятки МГц) для повышения помехоустойчивости и чувствительности индукционного метода обнаружения токопроводящих объектов, метода обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника в грунте, а также использование движущихся подземных объектов в качестве антенн простейшего типа для получения приемлемых для обнаружения характеристик.

Объект исследования - геосреда с движущимися в ней токопроводящими

ОП.

Предмет исследований - характер и закономерности взаимодействия проводящего ОП с системой обнаружения.

Задачи исследований:

- для метода радиопросвечивания определить плотность потока мощности в точке приема, создаваемую изотропным излучателем, расположенным в массиве горных пород. Обеспечить учет зависимости электромагнитных свойств горных пород от рабочей частоты передатчика;

- рассчитать основные параметры индукционного датчика (индуктивность, дальность обнаружения) при его работе в УКВ диапазоне на небольших дальностях (< А/4) при размерах объекта, соизмеримых с размерами датчика;

- разработать варианты практической реализации индукционного обнаружителя металлических тел в УКВ диапазоне, провести экспериментальные исследования его чувствительности и дальности обнаружения эталонных металлических объектов;

- разработать и реализовать метод обнаружения и определения пространственной ориентации пневмопробойника, движущегося горизонтально в однородной среде, при минимальных вмешательствах в его конструкцию;

- практически проверить заявленные преимущества предлагаемых методов.

Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта; сопоставление теоретических и экспериментальных исследований индукционного метода обнаружения в УКВ диапазоне; математическое моделирование и экспериментальное исследование диаграммы направленности модели пневмопробойника; опытная проверка разработанного метода определения пространственной ориентации пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1) повышение рабочей частоты до УКВ диапазона улучшает конструктивные характеристики (вес, габариты) и чувствительность индукционной измерительной системы;

2) для излучающей антенны, расположенной в грунте, появление дополнительных лепестков и сближение основных лепестков диаграммы направленности, уровень которых оценивается по половинной мощности и зависит от электромагнитных свойств горных пород, происходит на более низкой частоте, чем для воздушной среды, что повышает разрешающую способность по углу при реализации систем обнаружения подземных объектов;

3) использование метода пеленгации для создания системы обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника позволит более точно отслеживать его координаты в грунте.

Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических, экспериментальных лабораторных и натурных данных, полученных с помощью современных методов исследований в реальных условиях.

Научная новизна диссертации:

- разработаны методики расчета параметров индукционного датчика для обнаружения металлических объектов соизмеримых с размерами датчика, в непроводящей среде для УКВ диапазона электромагнитных волн;

- установлено, что при реализации индукционного метода обнаружения в УКВ диапазоне упрощается конструкция системы обнаружения за счет объединения каналов приема/передачи, повышается чувствительность системы;

- разработан и обоснован метод радиопросвечивания для определения пространственной ориентации пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте, при котором пневмопробойник используется в качестве передающей антенны простейшего типа.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена автором по результатам исследований, в которых она принимала непосредственное участие: при проведении теоретических расчетов и экспериментальных работ, математическом моделировании с использованием современных компьютерных программ.

Практическая ценность работы:

- предложена реализация индукционного метода обнаружения токопрово-дящих ОП в УКВ диапазоне, а так же варианты практического исполнения индукционного обнаружителя металлических тел;

- разработан и реализован метод, позволяющий отслеживать курс движения пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте, использование данного метода позволит расширить возможности применения пневмопробой-ников.

Реализация результатов работы: создан опытный образец индукционного датчика, экспериментально исследовано его взаимодействие с эталонными металлическими объектами; создано оборудование, а именно: приемное устройство, генератор, модель передающей антенны - несимметричного вибратора для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойника в грунте. Проведены его полевые испытания. Для контроля работоспособности генератора, подключенного к передающей антенне, и для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойника в воздухе был изготовлен индикатор электрической компоненты электромагнитного поля. L 8

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях: «Информационная безопасность в системе высшей школы» (г. Новосибирск, 2000), «Рдултовские научные чтения» (г. Санкт-Петербург, 2003), «Вооружение, безопасность, конверсия» (г. Пенза, 2004), «Наука. Промышленность. Оборона» (1921 апреля 2006, г. Новосибирск); Международных конференциях: «Proceeding of a Second IASTED International Multi-Conference on Automation, control and information technology» (ACIT 2005, г. Новосибирск), «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2004), «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Новосибирск, 2006); научном симпозиуме «Неделя Горняка 2005» (г. Москва); часть работы является лауреатом конкурса молодежных проектов им. М.А. Лаврентьева (2006-2007 г.) и конкурса «Лучшие аспиранты РАН 2006 года».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе два патента РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 153 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 90 наименований. Диссертация содержит 53 рисунка, 33 таблицы.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Плешакова, Екатерина Вячеславовна

ВЫВОДЫ ПО ПЯТОЙ ГЛАВЕ

1. Разработаны схемы генератора и устройства обработки информации для проведения экспериментальных исследований диаграммы направленности модели пневмопробойника, изготовлены их опытные образцы, измерены основные характеристики (рабочие частоты, чувствительность приемного устройства, излучаемая мощность генератора). Для контроля работоспособности генератора, подключенного к передающей антенне и для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойника в воздухе был изготовлен индикатор электрической компоненты электромагнитного поля.

2. С целью повышения точности работы системы, в качестве приемных предложено использовать антенны компактных размеров с более узкой диаграммой направленности, например, антенны типа «волновой канал» - дирек-торные антенны. Одновременное применение и рефлектора и директора приводит к увеличению коэффициента направленного действия антенны.

3. В качестве передающей антенны предложено использовать несимметричный вибратор представляющий собой модель пневмопробойника ИП4603 -дюралюминиевая труба диаметром 40 мм и длинной 1500 мм, функцию другого (более короткого) плеча вибратора выполнил дюралюминиевый диск диаметром 115 мм, толщиной 10 мм. Оба плеча вибратора разделены друг от друга диэлектриком в виде диска из полистирола диаметром 120 мм и толщиной 20 мм.

4. Экспериментально измерены диаграммы направленности по электрической компоненте электромагнитного поля для модели пневмопробойника, расположенной в воздухе и в грунте (при расположении приемной антенны на поверхности земли и в приемном приямке). Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования позволило сделать следующие выводы: при расположении приемной антенны в приемном приямке диаграмма направленности сужается, происходит концентрация энергии, излучаемой передатчиком в направлении расположения приемной антенны, что повышает точность определения координат подземного объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной рабой, на основе выполненного обобщения и анализа методов обнаружения металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах, теоретических расчетов, математического моделирования посредством современных компьютерных программ и экспериментальных исследований предложены новые подходы при разработке систем обнаружения работающих на базе известных методов, которые позволят определять координаты движущегося подземного объекта, повысить чувствительность, помехоустойчивость и упростить конструкцию современных систем.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. На основании литературного анализа установлены зависимости электромагнитных свойств геосред от рабочей частоты передатчика, что позволило рассчитать плотность потока мощности в точке приема для определения максимальной дальности обнаружения подземных объектов методом радиопросвечивания.

2. Индукционные системы обнаружения, вследствие работы на частотах единицы-десятки кГц обладают низкой помехоустойчивостью по отношению к внешним естественным и искусственным помехам, имеют раздельный канал приема/передачи, большие габариты и энергопотребление. Предложены модели взаимодействия индукционной системы обнаружения с проводящим ОП, размеры которого примерно равны размерам антенны датчика. Теоретически рассчитаны параметры индукционной системы (рабочей частоты, индуктивности, дальности обнаружения) в УКВ диапазоне.

3. Разработаны варианты практической реализации индукционного обнаружителя металлических тел, которые за счет использования УКВ диапазона позволят обеспечить: повышенную чувствительность системы; упростить ее конструктивное исполнение (уменьшить вес и габариты).

4. В последнее время перспективным является направление по созданию управляемых пневмопробойников, поэтому возникает необходимость в системах обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника в грунте. Существующие разработки в данном направлении (в основном зарубежные) не обеспечивают достаточной точности и дальности при определении координат пневмопробойника ввиду их работы в низкочастотной области с использованием магнитной компоненты электромагнитного поля.

5. Для определения координат движущегося пневмопробойника в грунте в горизонтальной плоскости обоснована и предложена система обнаружения, состоящая из двух приемных устройств, расположенных горизонтально в приемном приямке, и передающего устройства. При этом пневмопробойник, для формирования заданной диаграммы направленности, используется в качестве передающей антенны простейшего типа - несимметричного вибратора, при минимальных вмешательствах в его конструкцию.

6. Произведено математическое моделирование диаграммы направленности модели пневмопробойника марки ИП4603 в воздухе и в геосредах типа суглинок и супесь. Результаты моделирования сравнивались с полученными экспериментально диаграммами направленности модели пневмопробойника.

7. Разработан графоаналитический метод расчета изменения напряжений на входе приемников. Установлено, что оптимальная рабочая частота, при которой мощность передающей антенны приемлемо сконцентрирована по направлению к приемникам, равна 150 МГц. По данным теоретических расчетов и результатам моделирования диаграммы направленности модели пневмопробойника марки ИП4603 сделан вывод, что система способна регистрировать отклонения подземного технического устройства от заданного курса на 5° и более на расстоянии 20 м для среды супесь и 10 м для среды суглинок при чувствительности приемников единицы мкВ.

8. Теоретически доказано, что расположенные на расстоянии 1 м от пнев-мопробойника подземные коммуникации диаметром 1 м наводят отраженный сигнал в приемнике, который по напряжению меньше полезного сигнала создаваемого передатчиком более чем на 7 дБ. Это позволяет сделать вывод о том, что расположенные вблизи работающего пневмопробойника коммуникации слабо влияют на информацию об угле отклонения пневмопробойника.

9. Для проведения экспериментальных и натурных исследований изготовлены: передающее и приемное устройства. С целью повышения точности работы системы в качестве приемных предложено использовать антенны компактных размеров с более узкой диаграммой направленности, например, типа «волновой канал» - директорные антенны.

10. В качестве передающей антенны использовался несимметричный вибратор представляющий собой модель пневмопробойника (марки ИП 4603) -дюралюминиевая труба диаметром 40 мм и длинной 1500 мм, функцию другого (более короткого) плеча вибратора выполнил дюралюминиевый диск диаметром 115 мм, толщиной 10 мм. Оба плеча вибратора разделены друг от друга диэлектриком в виде диска из полистирола диаметром 120 мм и толщиной 20 мм.

11. Измерены диаграммы направленности по электрической компоненте электромагнитного поля модели пневмопробойника в воздухе и в грунте. Результаты эксперимента сошлись с результатами моделирования в программе HFSS Agilent 5.6. с приемлемой точностью.

12. Экспериментально доказано, что использование метода пеленгации при создании системы обнаружения и определения координат подземных объектов позволит более точно отслеживать положение объекта при его движении, а использование УКВ диапазона и размещение приемных антенн в приемном приямке позволяет повысить помехоустойчивость по отношению к естественным и внешним помехам, поскольку исключается прямая видимость.

13. Экспериментально доказано, что при расположении приемной антенны в приемном приямке точность определения координат подземного объекта выше, чем при расположении приемной антенны на поверхности земли за счет сужения диаграммы направленности передающей антенны, т.е. концентрации энергии, излучаемой передатчиком, в направлении расположения приемной антенны.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Плешакова, Екатерина Вячеславовна, Новосибирск

1. Рубан А.Д. Горная геофизика. Электрометрические методы геоконтроля. Ч.З. Высокочастотные электромагнитные методы. Текст. / Рубан А.Д., Бауков Ю.Н., Шкуратник В.Л. Учебное пособие. М.: МГГУ, 2002. - 147с.

2. Щербаков Г.Н. Методы обнаружения мин применительно к проблеме гуманитарного разминирования Текст. / Щербаков Г.Н. // Специальная техника. - 2003. - №3. - С.37-42.

3. Щербаков Г.Н. Выбор электромагнитного метода зондирования для поиска объектов в толще укрывающих сред Текст. / Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А., Удинцев Д.Н. // Специальная техника. 2005. - №1. - С.21-25.

4. Афанасьев Ю.В. Феррозонды Текст. / Афанасьев Ю.В. М.:Л.: Энергия, 1969. - 168 с.

5. Арбузов С.О. Магниточувствительные поисковые приборы Текст. / Арбузов С.О. // Специальная техника 2000, №6 - сЛ 2-18.

6. Пономарев Ю.Ф. К расчету чувствительности двухэлементных феррозондов Текст. / Пономарев Ю.Ф., Фридман Л.Н. // В сб., посвященном памяти Р.И. Януса. Свердловск: Тр. ИФМ АН СССР, 1967, вып. 26.

7. Щербаков Г. Н. Средства обнаружения тайников с оружием и боеприпасами в толще грунта Текст. / Щербаков Г. Н. // Специальная техника — 2000. -№2

8. Розенблат М.А. К расчету магнитомодуляционных датчиков напряженности магнитного поля Текст. / Розенблат М.А. М.: Электричество, 1957, №7.

9. Бэрк Г.Ю. Справочное пособие по магнитным явлениям Текст. / Бэрк Г.Ю. Пер с англ. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 384 с.

10. Щедрин А. Металлоискатели для поиска кладов и реликвий Текст. / Щедрин А., Осипов И. М.: Радио и связь: Горячая линия: Телеком, 1999. - 192 с.

11. Березанский Д.П. Металлодетекторы обнаружители оружия. Обзор принципов действия Текст. / Березанский Д.П. // Специальная техника. - 1998. - №4-5. - С.20-26.

12. Якубовский Ю.В. Индуктивный метод электроразведки Текст. / Якубовский Ю.В. -М: Гос. научно-техническое изд. Литературы по геологии и охране недр, 1963.- 212с.

13. Бахмутский В. Индукционные кабелеискатели Текст. / Бахмутский В., Зуенко Г. М.: Радио и связь, 1973. - С.66-67.

14. Савин А.П. Об оценке глубинности индуктивных методов электроразведки Текст. / Савин А.П. // Методы разведочной геофизики. Вып. 13. Электроразведка. Л.: Недра, 1971.

15. Арш Э.И. Автогенераторные методы и средства измерений Текст. / Арш Э.И. М.: Машиностроение, 1979. - 256 с.

16. Арш Э.И. Высокочастотный автогенераторный контроль в горном деле Текст. / Арш Э.И. М.: Недра, 1971. - 160 с.

17. Березанский Д.П. Металлодетекторы устройства досмотра. Вопросы нормирования требований Текст. / Березанский Д.П. // Специальная техника. -1998. - №2. - С.31-35.

18. Омельяненко А.В. Георадиолокационные исследования многолетне-мерзлых пород Текст. / Омельяненко А.В., Федорова JI.JL, Я.: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2004.- с.

19. Петров Н. Н. Системы и комплексы технических средств местоопреде-ления подвижных объектов Текст. / Петров Н. Н. // Специальная техника1998.-№3.-с. 14-20.

20. Петров Н.Н. Местоопределение подвижных объектов на основе спутниковых навигационных систем Текст. / Петров Н. Н. // Специальная техника1999.-№1-2.-с. 12-17.

21. Щербаков Г.Н. Обнаружение скрытых объектов для гуманитарного разминирования, криминалистики, археологии, строительства и борьбы с терроризмом Текст. / Щербаков Г.Н. - М: Арбат Информ, 2004. - 256с.

22. Щербаков Г.Н. Параметрическая локация новый метод обнаружения скрытых объектов Текст. / Щербаков Г.Н. // Специальная техника. - 2000. -№4. -С.52-57.

23. Siggi Finnsson. Locating Under Water Text. / Siggi Finnsson // Trenchless technology. 2001. - April.

24. Kevin Bailey. What's Next For Locating Technology Text. / Kevin Bailey // Trenchless technology. 1999. - December.

25. Randy Peterson. Locating's True Depths Text. / Randy Peterson // Trenchless technology. 1999. - April.

26. Siggi Finnsson. Interference & HDD Locating Systems Text. / Siggi Finns-son // Trenchless technology. 2004. - August.

27. Патент США №20030006071 Apparatus and method for horizontal drilling / Stump, Gregory S.; Allen, Christopher T. // January 9, 2003.

28. Патент США №4632191 Steering system for percussion boring tools/ McDonald; William J.; Pittard; Gerard Т.; Maurer; William C.; Cohen; John H.; Giv-ler; Gregory C. // December 30, 1986.

29. Патент США №7061244 Flux orientation locating in a drilling system / Mercer; John E. // June 13, 2006.

30. Патент США №6980123 Controlling an underground object / Fling; Richard William // December 27, 2005.

31. Патент США № 20020105331 Multi-frequency boring tool locating system and method / Brune, Guenter W., Mercer, John E. // August 8, 2002.

32. Патент РФ на изобретение № 2132428 Способ определения местоположения пробойника в грунте и устройство для его реализации / Сырский В.П., Нестеров Е.А., Пахомов А.Д. // Опубл. Бюл. 1999. - №6.

33. Патент РФ на изобретение №2009298 Способ обнаружения пневмопробойника в грунте и устройство для его реализации / Буданов Г.И., Ткач Х.Б., Костылев А.Д., Трубицин В.В. // Опубл. Бюл. 1994. - №5.

34. Щербаков Г.Н. Методика оптимизации рабочей частоты индуктивных поисковых приборов Текст. / Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А., Удинцев Д.Н., Миронов B.C., Удавихин А.В. // Специальная техника 2006, № 1.

35. Гончарский В.Н. Технические основы аэроэлектроразведки (с гармоническим полем) Текст. / Гончарский В.Н., Калашников Н.И., Кузовкин С.К. К.: Наукова думка, 1969. 380с.

36. Финкелынтейн М.И. Радиолокация слоистых земных покровов Текст. / Финкельштейн М.И., Мендельсон В.А., Кутев В.А. М.: С.Р., 1977. - 151 с.

37. Стеж. П.Е. К теории распространения электромагнитных волн в слоистых земных покровах Текст. / Стеж. П.Е. // Радиотехника и электроника, 1974. -№Ю, 2066-2073 с.

38. Финкельштейн М.И. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии Текст. / Финкельштейн М.И., В.А. Кутев, В.П. Золотарев. М.: Недра, 1986. - 128 с.

39. Кессейних В.Н. Распространение радиоволн. М.: государственное издательство технико-теоретической литературы., 1952. - 488 с.

40. Долуханов М.П. Распространение радиоволн Текст. / Долуханов М.П. -М.: Гос. изд. литературы по вопросам связи и радио., 1960. 392 с.

41. Плешакова Е.В. О влиянии электрических свойств горных пород и рабочей частоты на формирование диаграммы направленности передающей антенны Текст. / Плешакова Е.В. // ФТПРПИ. 2006. - №5. -29-39 с.

42. Хореев А. А. Портативные сканирующие приемники Текст. / Хореев А. А. // Специальная техника 1998. - №3 - с. 20 - 30.

43. Брунов Б.Я. Теория электромагнитного поля Текст. / Брунов Б.Я., Гольденберг JIM. -M.:JI.: Гос. элетротехн. Издат, 1956. -192 с.

44. Жуков Р.Ф. Системы, приборы и устройства подводного поиска Текст. / Жуков Р.Ф.-М.:Воениздат, 1972.- 184с.

45. Горбачев Ю.И. Геофизические исследования скважин Текст. / Горбачев Ю.И. М.: Недра, 1990. - 281с.

46. Нетушил A.B. Теория электромагнитного поля Текст. / Нетушил A.B., Поливанов K.M. -М.:Л.: Гос. электротехн. издат, 1956. 192 с.

47. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля Текст. / Говорков В.А. M.:J1.: Госэнергоиздат, 1960. - 463 с.

48. Беланов Б.Е. Теоретическая модель металлодетектора Текст. / Беланов Б.Е., Плешакова Е.В. // Всероссийская научно-практическая конференция «Информационная безопасность в системе высшей школы».- Н.: НГТУ, 2000. -с.72-75.

49. Плешакова Е.В. Высокочастотный металлодетектор для обнаружения скрытых токопроводящих объектов Текст. / Плешакова E.B. //X международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» В.: НПФ САКВОЕЕ, 2004. - Т1. с.688- 692.

50. Шкуратник В.Л. Измерения в физическом эксперименте Текст. / Шку-ратник В.Л. М.: изд. Академии горных наук, 2000. - 256с.

51. Плешакова Е.В. Радиочастотный метод обнаружения подземных токопроводящих объектов Текст. / Плешакова Е.В. // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2005. с.153-156.

52. Патент РФ на изобретение № 223985 Радиочастотный обнаружитель металлических тел / Легкий В.Н., Беланов Б.Е., Плешакова Е.В. // Опубл. Бюл. -2004.-№31.

53. Патент на изобретение №2276391 Амплитудно-фазовый способ обнаружения металлосодержащих объектов и радиочастотный (или СВЧ) металло-детектор для его осуществления / Легкий В.Н., Беланов Б.Е., Плешакова Е.В., Шебалкова Л.В. // Опубл. Бюл. 2006. - №13.

54. Мейнке К. Радиотехнический справочник Текст. / Мейнке К., Гундлах Ф. -М.:Л.: Госэнергоиздат, 1960.-416 с.

55. Плешакова Е.В. Расчет индуктивного датчика для автономных систем Текст. / Плешакова Е.В. // «Рдултовские научные чтения» С-П.: БГТУ (Во-енмех), 2003.-ч.2. с.8-11.

56. Репин A.A. Способ корректируемой проходки скважин в грунтах Текст.: дис. . канд. тех. наук. / Репин Анатолий Антонович. Новосибирск, ИГД СО РАН, 2001.-120 с.

57. Костылев А.Д. Исследование и создание пневматических машин ударного действия для пробивания скважин в грунте Текст.: дис. .д.т.н. / Косты-лев А.Д. Новосибирск, ИГД СО РАН, 1971.

58. Гурков К.С., Пневмопробойники Текст. / Гурков К.С., Климашко В.В., Костылев А.Д., Плавских В.Д., Русин Е.П., Смоляницкий Б.Н., Тупицын К.К, Чепурной Н.П. -Н.: ИГД СО РАН, 1990. 217 с.

59. Караваев Н.П. Может ли пневмопробойник двигаться в грунте по горизонтальной прямой? Текст. / Караваев Н.П. // Механизация строительства. 1993.-№6.

60. Костылев А.Д. Опыт создания управляемых пневмопробойников Текст. / Костылев А.Д. // ФТПРПИ, 1996. - №6.

61. Костылев А.Д. Управляемый пневмопробойник Текст. / Костылев А.Д., Тупицын К.К., Чередников E.H., Караваев А.Т. // Механизация строительства. 1198, №3.

62. Патент РФ на изобретение №2135701 Способ управления пневмопробойником / Леонов И.П., Гилета Б.П., Смоляницкий Б.Н. // Опубл. Бюл.- 1999. -№6.

63. Костылев А.Д. Способы и схемы устройств для управления движения пневмопробойника в грунте Текст. / Костылев А.Д., Клименко В.А., Сырямин А.Т. // ФТРПИ. 1994. - №4.

64. Айзенберг Г.З. Коротко-волновые антенны Текст. / Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М., Клигер Г.А., Курашов А.Г. М.: Р и С., 1985. -344 с.

65. Драбкин А.Л. Антенно-фидерные устройства Текст. / Драбкин А.Л., Зузенко В.Л. -М.: С.Р., 1961.-816с.

66. Марков Г.Т. Антенны Текст. / Марков Г.Т. М.:Л.: гос. энергет. изд., 1960.-535 с.

67. Седлецкий P.M. Эффективная площадь рассеивания идеально проводящих тел простейшей формы в средах с комплексной проницаемостью Текст. / Седлецкий P.M. // Журнал радиоэлектроники. 2001. - №10.

68. Финкельштейн М.И. Подповерхностная радиолокация Текст. / Финкелыптейн М.И., Карпухин В.И., Кутев В.А., Метелкин В.Н. М.: Радио и связь, 1994.

69. Сколник Н.И. Справочник по радиолокации: в 4т. Текст. / Сколник Н.И.-М.: Советское радио, 1979.

70. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации Текст. / Финкельштейн М.И. М.: Советское радио, 1973.

71. Проектирование радиопередающих устройств Текст. / Под ред. Г.М. Уткина.-М.: С. Р., 1979. -320 с.

72. Беланов Б.Е. Проектирование радиотехнических приборных устройств. Авто дин. Основные характеристики, методика расчета Текст. / Беланов Б.Е. -Н.: НЭТИ, 1988.

73. Транзисторы для аппаратуры широкого применения Текст. / под ред. Перельмана Б.А. Справочник. -М.: Р и С, 1981.-656с.

74. Атаев Д.И. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры Текст. / Атаев Д.И., Болотников В.А. Справочник М.: Издательство МЭИ, 1991.- 340с.

75. Нечаев И. Телевизионный антенный усилитель с большим динамическим диапазоном Текст. / Нечаев И. // Радио. 2005, № 9.

76. Виноградов Ю. Радиопеленгатор Текст. / Виноградов Ю. // Радио -2005.-№6,3 8-3 9с.

77. Вилесов Г.И. Элементы математической статистики в приложении к решению задач горного дела Текст. / Г.И. Вилесов. Свердловск: СГИ, 1970.

78. Шпаков, П.С. Статистическая обработка экспериментальных данных Текст. / П.С. Шпаков, В.Н. Попов: Учебное пособие. М.: Изд. МГГУ, 2003. -268 е.: ил.

79. Малиновский В.Н. Электрические измерения Текст. / Малиновский В.Н. Демидова-Парферова Р.М. Евланов Ю.Н. Учебное пособие для вузов. -М.: Энергоиздат, 1985.- 416 с.

80. Амалицкий М.В. Основы радиотехники Текст. / Амалицкий М.В. М.: гос. изд. литературы по вопросам связи и радио, 1959. - 616 с.

81. Настоящим подтверждается личный вклад автора сотрудника ИГД СО РАН в получении научных результатов представленной диссертации, которая выполнена в лаборатории горной геофизики в соответствии с планом научно исследовательских работ.

82. Директор ИГД СО РАН член-корр. РАН1. Опарин В.Н.