Способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды

 

Использование: для измерения характеристик слоистых сред и может использоваться для поверхностного зондирования, диагностики и неразрушающего контроля. Сущность изобретения: способ измерения толщин и диэлектрических проницаемостей слоев многослойных сред заключается в том, что в сторону многослойной среды излучают N когерентных зондирующих сигналов на N частотах, принимают в секторе углов N зондирующих сигналов, отраженных от многослойной среды, производят преобразование принятых сигналов в временную область, выделяют пиковые временные составляющие во временном спектре, измеряют времена выделенных пиковых временных составляющих и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев в соответствии с расчетными формулами, причем предполагается, что углы приема сигналов отраженных многослойной средой, известны. 4 ил.

Изобретение относится к измерению характеристик слоистых сред и может быть использовано для подповерхностного зондирования, диагностики и неразрушающего контроля.

Известен способ зондирования слоистых сред, в котором используются импульсные зондирующие сигналы. В этом способе толщины слоев могут определяться по временной задержке сигналов, отраженных от границ раздела слоев. В этом случае измеряемые задержки отраженных сигналов определяются как толщинами слоев, так и их диэлектрическими проницаемостями и точности измерения толщин/диэлектрических проницаемостей слоев зависят от того, насколько точно известны диэлектрические проницаемости/толщины слоев. Если толщины, либо диэлектрические проницаемости не известны, то измерение диэлектрических проницаемостей, а следовательно, и толщин слоев, с использованием этого метода, может быть выполнено, если измеряются амплитуды принятых сигналов. Определение по измеренным амплитудам сигналов коэффициентов отражений на границах раздела сред и затуханий сигналов в слоях позволяет рассчитать диэлектрические проницаемости и толщины слоев. Недостатком данного способа является то, что неточное измерение амплитуд принимаемых сигналов, из-за разных факторов, непосредственно влияет на точность измерения диэлектрических пpоницаемос-тей и толщин слоев.

Наиболее близким техническим решением является способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды, заключающийся в излучении в сторону многослойной среды N когерентных сигналов на N частотах, приеме N сигналов, отраженных от многослойной среды, преобразовании принятых сигналов во временную область, выделении пиковых временных (сачтотных) составляющих во временном спектре, измерении частот выделенных пиковых составляющих и определении диэлектрических проницаемостей и толщин слоев в соответствии с расчетными формулами.

Недостатком этого способа является низкая точность измерения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев.

Целью предложенного способа является повышение точности измерения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе зондирование слоистой среды производится в секторе углов и отраженные сигналы принимаются в секторе углов. Знание углов приема отраженных сигналов и измеренные времена (cачтоты) выделенных пиковых составляющих позволяют рассчитать диэлектрические проницаемости и толщины слоев.

Предлагаемый способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды заключается в том, что в сторону многослойной среды излучают N когерентных сигналов на N частотах, принимают N сигналов, отраженных от многослойной среды, производят временную (cачтотную) фильтрацию N принятых сигналов, выделяют пиковые временные (cачтотные) составляющие во временном (cачтотном) спектре, измеряют времена выделенных пиковых составляющих и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев. Предлагаемый способ отличается тем, что сигналы излучают и принимают в секторе углов и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев в соответствии с другими расчетными формулами, приводимыми ниже.

На фиг. 1 показана схема излучения, распространения и приема сигналов; на фиг. 2 характерные временные спектры принятого сигнала, полученные на модели; на фиг. 3 схема устройства, реализующего способ; на фиг. 4 блок-схема алгоритма выделения пиковых составляющих во временном спектре.

При расположении передающего и приемного устройств вблизи поверхности многослойной среды (см. фиг. 1), отраженные от границ раздела сред сигналы принимаются под разными углами. Покажем, что измерение cачтот пиковых составляющих во временном (cачтотном спектре) кепстре и знание углов приема сигналов, отраженных от разных границ раздела сред, позволяют определить диэлектрические проницаемости и толщины слоев.

Под временной фильтрацией понимается операция обратного преобразования Фурье от частотной зависимости принятого суммарного сигнала. Под cачтотной фильтрацией понимается определение кепстра с помощью авторегрессионного анализа, по корреляционному и автокорреляционному алгоритмам, либо другими методами.

В соответствии с фиг. 1 можно записать следующую систему уравнений: (1) где Δl₁ , h₁ и h₂ высоты размещения над поверхностью слоистой среды передатчика и приемника соответственно; ε_р диэлектрическая проницаемость р-го слоя; Θ_падр⁽ⁱ⁾ угол падения излучения на р+1 слой при i-м пути распространения сигнала; Δ l_p толщина р-го слоя; t_i cачтота i-й пиковой составляющей во временном спектре/кепcтре, обусловленная отражением сигнала от границы раздела i-го и i+1-го слоев; d проекция на повеpхность расстояния между передатчиком и приемником; С скорость света.

Преобразуем систему уравнений (1) (2)
После подстановки Δ l₂ из второго уравнения системы уравнений (2) в первое уравнение системы уравнений (2), получим:
t₂ + (3)
Отсюда
sin= (4)
Подставив выражение (4) в первое уравнение системы (1), получим
ε₂
(5)

Определим Δ l₂ из второго уравнения системы уравнений (1)
Δl₂=t₂ (6)
Рассмотрим случай зондирования двухслойной подповерхностной структуры. Запишем систему уравнений для этого случая
(7)
Преобразуем систему уравнений (7)
(8)
Из системы уравнений (8) получим
(9)
Откуда
sin= (10)
Тогда ε₃ и Δ l₃ определяются следующими формулами:
ε₃ (11)
Δl₃= t₃ + (12)
В общем случае для слоистой среды формулы для определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев запишутся в следующем виде:
ε_i , (13)
Δl_i=t_i , (14) где i номер слоя.

Учитывая, что cos= и tg получим
ε_i (15)
Поскольку cos ,то
Δl_i= t_i (16)
Как видно из формул (15) и (16), зная углы приема Θ_пад1⁽ⁱ⁾сигналов, распространяемых по i-м путям (см. фиг. 1) и соответствующих отражениям от поверхности и границ раздела слов, а также измерив cач-тоты t_i пиковых составляющих в полученном временном спектре/кепстре при известных величинах ε₁,Δ l₁ и d можно последовательно рассчитать диэлектрические проницаемости и толщины всех слоев.

Углы приема Θ_пад1⁽ⁱ⁾ могут быть измерены посредством углового сканирования с помощью фокусируемой антенны. В качестве фокусируемой антенны может использоваться, например, антенная решетка, в которой фокусирование в ближней зоне осуществляется с использованием сферического распределения фазы по раскрыву антенны с целью уравнивания электрических путей от каждого вибратора антенной решетки до точки, в которую осуществляется фокусировка.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, схема которого показана на фиг.3.

Устройство работает следующим образом. Передающее устройство 1 формирует N зондирующих сигналов на N частотах. Причем частоты зондирующих сигналов выбираются в диапазоне частот Δ f ( в частном случае эквидистантно). Диапазон частот Δ f выбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемое разрешение по глубине, определяемое примерно величиной Сформированные зондирующие сигналы с помощью передающей антенны 2 излучаются в сторону многослойной среды 3. Предполагается, что зондируемые слои параллельны и шероховатости поверхности слоистой среды и границ раздела слоев невелики по сравнению с длинами волн зондирующих сигналов. Отраженные от поверхности и границ раздела слоев зондирующие сигналы на N частотах принимаются приемной антенной 4 и поступают на приемное устройство 5. С выхода приемного устройства 5 квадратурные составляющие, полученные для каждого из n зондирующих сигналов поступают в цифровом виде в процессор 7 быстрого преобразования Фурье, в котором формируются сигналы S₁,S_n, соответствующие амплитудам составляющих временного спектра/кепстра. Сигналы S₁.S_n поступают в вычислительное устройство 7, в котором из поступающих сигналов выделяются сигналы, превысившие пороговый уровень, измеряются времена/cачтоты выделенных сигналов и производится расчет ε_i и Δ l_i в соответствии с формулами (15) и (16).

Синхронизатор 8 осуществляет синхронизацию работы передатчика 1, приемного устройства 5, процессора быстрого преобразования Фурье 6 и вычислительного устройства 7. Блок-схема обработки сигналов в вычислительном устройстве 7 приведена на фиг. 4 На выходе блока сравнения сигналов с пороговым уровнем 9 формируются, в зависимости от превышений порога, нулевые или единичные сигналы для всех времен-ных / cачтотных фильтров в порядке возрастания номеров. Блоки определения cачтот (номеров cачтотных фильтров) 10 в зависимости от уровня (0 или 1) входных сигналов определяют в порядке возрастания cачтоты ( номера cачтотных фильтров) пиковых cач-тотных составляющих. Блок суммирования 11 определяет количество пиковых cачтот-ных составляющих. В блоке формульного расчета 12 определяются значения ε_i и Δ l_i, при этом используется информация об углах Θ_пад1⁽ⁱ⁾ хранящаяся в ПЗУ 13.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет производить измерения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев без определения коэффициентов отражений сигналов от границ раздела слоев и без определения затуханий сигналов в слоях. Кроме того, преимуществом предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом является то, что оно позволяет определять диэлектрические проницаемости и толщины слоев при размещении передатчика и приемника на небольших высотах над зондируемой многослойной средой или при их размещении на поверхности, тогда как прототип не позволяет измерять указанные величины этих случаях, что обусловлено тем, что при этом нарушаются предположения, принятые при выводе расчетных формул. В сравнении с другими методами предлагаемый способ дает преимущества, когда неточно измеряются амплитуды принятых сигналов.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОНИЦАЕМОСТЕЙ И ТОЛЩИН СЛОЕВ МНОГОСЛОЙНОЙ СРЕДЫ, заключающийся в том, что многослойную среду зондируют N когерентными сигналами на N частотах, принимают N сигналов, отраженных от многослойной среды, осуществляют преобразование принятых сигналов во временную область, выделяют пиковые временные составляющие во временном спектре, измеряют времена выделенных пиковых временных составляющих и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев, отличающийся тем, что зондирование и прием осуществляют в секторе углов, а диэлектрические проницаемости и толщины слоев определяют по формулам


где i номер слоев;
ε_i, ε_p диэлектрическая проницаемость i- и p-го слоев;
ε₁ диэлектрическая проницаемость среды, с которой осуществляется зондирование и прием сигналов;
Δl_i толщина i-го слоя;

где h₁, h₂ высоты от границы раздела первого и второго слоев до мест, откуда производится зондирование и места приема сигналов соответственно;
Θ⁽ⁱ⁾_пад1 угол приема сигнала, отраженного от границы раздела i- и i+1-го слоев;
c скорость света;
t_i частота i-й пиковой составляющей временного спектра, соответствующей отражению сигнала от границы раздела i- и i+1-го слоев;
d проекция на зондируемую поверхность расстояния между местом, откуда производится зондирование, и местом приема сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4