ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 7 · ИНФОРМАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РАДИОЛОКАЦИИ И ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

Двухпозиционный георадиолокатор на БПЛА для оперативного мониторинга подповерхностных водных ресурсов

А.И. Баскаков1, А.А. Комаров1, М.С. Михайлов1, Н.Д. Лучковский1, Б. Одсурэн2

1 Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия
2 Институт физики и технологий Монгольской Академии Наук, Монголия, Монголия
Полный текст (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2023.7.7 УДК 621.396.96 EDN CLTUYE

Аннотация

В данной работе рассматривается реализация двухпозиционного георадара, расположенного на борту беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и предназначенного для оперативного поиска подземных вод в засушливых и пустынных районах Монголии, что является чрезвычайно актуальной задачей. С помощью синтезирования апертуры антенны георадара на БПЛА достигается существенное увеличение информативности по сравнению с существующими георадарами, поскольку появляется возможность получить панорамное радиолокационное изображение подповерхностных слоев зондируемой среды с требуемой разрешающей способностью при достаточно широкой полосе обзора. С другой стороны, необходимая оперативность (требуемая, например, при мониторинге обширных пустынных районов) может быть достигнута лишь при достаточно широкой зоне обзора, создаваемой на базе двухпозиционного принципа зондирования, где излучающий и принимаемый сигналы формируются и обрабатываются на разно- или равновысотных БПЛА, летящих с одинаковой скоростью и разнесенных ортогонально к направлению их движения, что дает возможность использовать квазизеркальное переотражение. При этом полоса обзора будет заметно больше, чем в случае надирного зондирования. В сжатом виде статья рассматривает следующие вопросы: модель подповерхностного водоносного пласта, геометрия двухпозиционного георадара в квазизеркальном режиме зондирования, вплоть до особенностей синтезирования апертуры (доплеровского сужения диаграммы направленности) приемной антенны, разрешающая способность, сравнение требуемого потенциала двухпозиционного георадара для надежного обнаружения водоносного подповерхностного горизонта по сравнению с однопозиционным георадаром.

  • двухпозиционный георадар
  • поиск подземных вод
  • синтез апертуры антенны
  • РСА
  • квазизеркальное рассеяние
  • подповерхностный водоносный горизонт
  • подповерхностный мониторинг при широкой зоне обзора
Abstract (in English)

UAV-based two-position ground penetrating radar for operational monitoring of subsurface water resources

This paper considers the implementation of a two-position ground penetrating radar (GPR) located on board unmanned aerial vehicles (UAVs) and designed for the operational search for groundwater in arid and desert regions of Mongolia, which is an extremely urgent task. With the help of synthesizing the GPR antenna aperture on the UAV, a significant increase in information content is achieved compared to existing GPRs, since it becomes possible to obtain a panoramic radar image of the subsurface layers of the probed medium with the required resolution with a sufficiently wide swath. On the other hand, the necessary efficiency (required, for example, when monitoring vast desert areas) can only be achieved with a sufficiently wide field of view created on the basis of the two-position sounding principle, where the emitting and receiving signals are formed and processed on UAVs of different or equal heights flying with the same speed and spaced orthogonally to the direction of their movement, which makes it possible to use quasi-mirror reflection. In this case, the swath will be noticeably larger than in the case of nadir sounding. In a condensed form, the article considers the following issues: the model of a subsurface aquifer, the geometry of a two-position GPR in the quasi-mirror sounding mode, up to the features of synthesizing the aperture (Doppler narrowing of the radiation pattern) of the receiving antenna, resolution, the required potential of a two-position GPR for reliable detection of an aquifer subsurface horizon, accuracy measurements of its depth, as well as the need for experimental work to test the theoretical provisions.

Для цитирования

Баскаков А.И., Комаров А.А., Михайлов М.С., Лучковский Н.Д., Одсурэн Б. Двухпозиционный георадиолокатор на БПЛА для оперативного мониторинга подповерхностных водных ресурсов // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.7.7

Литература

  1. Потемкин Е.О., Кучерявенков И.А., Матюгов С.С., Павельев А.Г. Бистатическая радиолокация Земли с помощью спутников. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т.9. №4. С.37-46.
  2. Масюк В.М., Калинкевич А.А., Короткий О.А. О возможности бистатической радиолокации земной поверхности. Вопросы радиоэлектроники. 2017. №6. С.6-10.
  3. Юшкова О.В., Яковлев О.И. Анализ возможностей определения характеристик грунта Луны методом бистатической радиолокации. Радиотехника и электроника. 2017. Т.62. №1. С.26-34. https://doi.org/10.7868/S0033849417010156
  4. Неронский Л.Б. Перспективы развития методов и систем радиолокационного наблюдения космического базирования. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2011. №11. С.5.
  5. Калинкевич А.А., Кутуза Б.Г., Плющев В.А., Дручинин С.В. Возможности использования многочастотной РСА для послойного зондирования подстилающей поверхности. Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2001. №11. С.31-39.
  6. Суханов Д.Я., Якубов В.П. Метод наклонной фокусировки в подповерхностной радиолокации. Журнал технической физики. 2006. Т.76. №7. С.64-68.
  7. Leuschen C., Goodman N., Allen C., Plumb R. An interferometric technique for synthetic aperture ground-penetrating radar. 1996 International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Lincoln. NE. USA. 1996. V.4. P.2033-2035. https://doi.org/10.1109/IGARSS.1996.516879
  8. Elsherbini A., Sarabandi K. Image Distortion Effects in SAR Subsurface Imaging and a New Iterative Approach for Refocusing and Coregistration. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2014. V.52. №5. P.2994-3004. https://doi.org/10.1109/TGRS.2013.2268388
  9. Yamauchi Y., Kidera S. Inverse Scattering Enhanced Synthetic Aperture Imaging for Multi-layered Ground Media. 2022 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP). Sydney. Australia. 2022. P.225-226. https://doi.org/10.1109/ISAP53582.2022.9998787
  10. García-Fernández M., Álvarez-Narciandi G., López Y.Á., Andrés F.L.-H. SAFEDRONE project: development of a UAV-based high-resolution GPR system for IED detection. 16th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). Madrid. Spain. 2022. P.1-5. https://doi.org/10.23919/EuCAP53622.2022.9768934
  11. Маринов Н.А., Попов В.Н. Гидрогеология Монгольской народной республики. Москва, Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. 1963. 431 с.
  12. Панкова Е.И., Конюшкова М.В. Климат и засоленность почв пустынь Центральной Азии. Почвоведение. 2013. Т.46. №7. С.721-727. https://doi.org/10.7868/S0032180X13070071
  13. Баскаков А.И., Одсурэн Б., Комаров А.А., Тувдендоорж Г. Энергетические характеристики георадара на беспилотном носителе для поиска водоносного слоя в засушливых районах. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.7.10
  14. Всеволжский В.А. Основы гидрогеологии. Москва, Издательство МГУ. 2007. 448 с.
  15. Островитянов Р.В., Басалов Ф.А. Статистическая теория радиолокации протяженных целей. Москва, Радио и связь. 1982. 232 с.
  16. Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. Москва, Недра. 1986. 128 с.
  17. Baskakov A.I., Komarov A.A. Estimation of the Resolution of a Multi-Position Radar for the Control of Small-Sized Space Debris Objects That Are Not Resolved by Angular Coordinates. Progress in Electromagnetics Research Symposium: PIERS-Toyama 2018 - Proceedings. Toyama. Japan. 2018. P.476-481. https://doi.org/10.23919/PIERS.2018.8598081
  18. Daniels D.J. Ground Penetrating Radar. The Institution of Engineering and Technology. 2004. 752 p.
  19. Финкельштейн М.И., Карпухин В.И., Кутев В.А., Метелкин В.Н. Подповерхностная радиолокация. Москва, Радио и связь. 1994. 216 с.
  20. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. Москва, Радио и связь. 1983. 536 с.
  21. Ipanov R.N., Baskakov A.I., Olyunin N., Ka M.H. Radar Signals with ZACZ Based on Pairs of D-Code Sequences and Their Compression Algorithm. IEEE Signal Processing Letters. 2018. V.25. №.10. P.1560-1564. https://doi.org/10.1109/LSP.2018.2867734