Способ мониторинга опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог с использованием естественных стабильных отражений



 


Владельцы патента RU 2405171:

Открытое акционерное общество "Российские железные дороги" (RU)

Изобретение относится к технической диагностике состояния железных дорог, к оценке опасности карстовых и оползневых участков в зоне полотен железных дорог методами дистанционного зондирования из космоса с применением технологии космической радиолокационной интерферометрии. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение достоверности и снижение трудоемкости получаемой информации при зондировании поверхности земли на опасных карстовых и оползневых участках, что позволяет повысить безопасность эксплуатации железных дорог. Указанный результат достигается за счет того, что по результатам радиолокационной съемки выявляются естественные стабильные отражатели, для которых проводятся измерения интерферометрической разности фаз, характеризующие изменения разности расстояний от космического аппарата до выявленных стабильных отражателей. Разность фаз сигналов в месте расположения естественных стабильных отражателей содержит информацию о вертикальных перемещениях отражающей поверхности за время между съемками для карстовых участков или горизонтальных перемещениях для оползневых участков.

 

1. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к технической диагностике состояния железных дорог, к оценке опасности карстовых и оползневых участков в зоне полотен железных дорог методами дистанционного зондирования из космоса с применением технологии космической радиолокационной интерферометрии.

2. Уровень техники.

Известен способ дистанционного контроля состояния трубопровода в зоне вечной мерзлоты, включающий проведение радиолокационной интерферометрической съемки с повторяющихся орбит космических аппаратов, когда расстояние между повторяющимися траекториями полета космического аппарата составляет не более 500 метров (патент RU № 2260742 С1, 20.09.2005).

Данный способ предполагает использование информации о разности фаз сигналов ΔФ в каждом элементе изображения, причем эта информация содержит сведения о перемещениях отражающей поверхности и ее рельефе. При наличии трех и более радиолокационных съемок с повторяющихся орбит этот способ позволяет разделить влияние рельефа и мелкомасштабных подвижек поверхности, измерить рельеф и оценить амплитуду искомых подвижек. Однако в случае потери когерентности отраженных сигналов из-за сильных временных изменений микрорельефа подстилающей поверхности разность фаз ΔФ сигналов, отраженных от естественных покровов, в большинстве элементов изображения становится случайной, что не дает возможности обнаруживать подвижки подстилающей поверхности.

Наиболее близким к изобретению является способ мониторинга опасных карстовых и/или оползневых участков магистральных трубопроводов, железных и автомобильных дорог (патент № 2333506, 10.09.2008), использующий технологию радиолокационной космической интерферометрии и предполагающий установку искусственных стабильных радиолокационных отражателей в опасных оползневых и карстовых районах.

В данном способе проблема временной декорреляции отраженных сигналов и потери фазовой информации решается путем обработки сигналов только искусственных стабильных радиолокационных отражателей, установленных в заранее известных местах на опасных карстовых и оползневых участках. Однако данный способ может быть недостаточно экономичен из-за необходимости изготовления большого количества пассивных радиолокационных отражателей типа уголковых отражателей, их размещения на большой территории, из-за необходимости организации наблюдений за исправностью и сохранностью этих отражателей, а также необходимости нацеливания уголковых отражателей в случае изменения ракурса съемки.

3. Раскрытие изобретения.

Заявленный способ включает многократную радиолокационную съемку зоны расположения железной дороги с повторяющихся орбит космических аппаратов с целью выявления естественных стабильных отражателей в зоне съемки, которые используются в дальнейшем для выявления динамики поверхности в месте их расположения, что позволяет решить проблему временной декорреляции отраженных сигналов разбросанных на местности естественных объектов. Далее для любой выбранной пары радиолокационных изображений, полученных в разные моменты времени, определяют разность фаз сигналов ΔФ на интерферограмме для естественных стабильных отражателей, содержащую информацию о перемещениях отражающей поверхности и рельефе. Затем, исходя из модели рельефа и геометрии съемки, вычисляют топографическую разность фаз ΔФtopo, порождаемую рельефом, и по разности указанных фаз определяют динамическую разность фаз ΔФdyn, за время между съемками данной пары, которая используется для вычисления вертикального перемещения поверхности и скорости этого перемещения в зоне карстовой опасности или для определения дальности скольжения оползня по склону и скорости этого скольжения в зоне оползневой опасности. В результате обеспечивается дистанционное обнаружение подвижек поверхности земли, опасных для инфраструктуры железных дорог.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение достоверности и снижение трудоемкости получаемой информации при зондировании поверхности земли на опасных карстовых и оползневых участках, что позволяет повысить безопасность эксплуатации железных дорог.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа мониторинга опасных оползневых и карстовых участков с помощью технологии радиолокационной космической интерферометрии, предполагающей работу с сигналами естественных стабильных отражателей, которые выявляются на радиолокационных изображениях по специальной методике.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что с целью мониторинга опасных карстовых и оползневых участков проводится многократное радиолокационное картирование земной поверхности, по результатам которого выявляются естественные стабильные отражатели, для которых проводятся измерения интерферометрической разности фаз, характеризующие изменения разности расстояний от космического аппарата до выявленных стабильных отражателей. Для разделения влияния рельефа и подвижек зондируемой поверхности можно использовать цифровую модель рельефа, с помощью которой можно устранить топографическую компоненту ΔФtopo в интерферометрической разности фаз ΔФ отраженных сигналов, получив динамическую компоненту ΔФdyn=ΔФ-ΔФtopo характеризующую подвижки поверхности. Если цифровая модель рельефа недоступна, она может быть построена методами радиолокационной интерферометрии по паре снимков с высокой когерентностью при условии, что подвижек между съемками этих изображений не наблюдалось.

Измеренная динамическая составляющая разности фаз, характеризующая подвижки отражающей поверхности, может быть пересчитана в вертикальные подвижки выявленных естественных стабильных отражателей в области опасных карстовых участков следующим образом:

где Δrvert - вертикальная составляющая перемещения отражающей поверхности относительно поверхности земли за время между съемками;

ΔФ - интерферометрическая разность фаз отраженных сигналов;

λ - длина волны сигнала радиолокатора;

θ - угол падения радиоволны на снимаемую поверхность.

При оценке величины перемещения/скольжения Δrslide оползня с находящимися на нем естественными стабильными отражателями по склону с углом уклона u (отрицательное значение соответствует движению вниз) и азимутом перемещения α (α=0 при движении в направлении полета спутника; положительные значения угла α отсчитываются против часовой стрелки, если смотреть сверху) используем выражение

Ключевой момент в данном изобретении - выявление естественных стабильных отражателей. В зоне съемки практически всегда присутствуют элементы инфраструктуры или образования рельефа, дающие сильное отражение, подобно пластине, двугранному или трехгранному уголковому отражателю. В случае полной декорреляции отражений в большинстве элементов изображения естественных покровов стабильные элементы сохраняют неслучайную начальную фазу, они могут быть выявлены на серии изображений, как объекты, имеющие стабильную и достаточно высокую амплитуду отражения.

Процесс выявления естественных стабильных отражателей включает вычисления среднего значения яркости , (где S - яркость элемента i-го изображения) и среднеквадратичного отклонения для каждого элемента изображения по совокупности из N совмещенных изображений. Естественные стабильные отражатели могут быть выявлены на серии радиолокационных изображений путем анализа дисперсии амплитуды одноименных элементов изображения.

Для повышения достоверности выявления стабильных отражателей необходимо не менее 15 радиолокационных изображений, причем изображения должны получаться с повторяющихся орбит космического аппарата, поскольку уровень отраженного сигнала таких естественных отражателей сильно зависит от ракурса съемки.

Пороговые величины для среднего значения яркости mпор и среднеквадратического отклонения σпор, используемых для выбора естественных стабильных отражателей, подбираются при обработке с учетом насыщенности территории естественными постоянными отражателями и требуемой точности измерений. Удовлетворяющие данному критерию элементы изображения принимаются как естественные стабильные отражатели и используются в дальнейшем для выявления динамики поверхности в месте их расположения. Далее для выбранной пары радиолокационных изображений, полученных в разные моменты времени, определяют разность фаз сигналов ΔФ в месте расположения естественных стабильных отражателей, содержащую информацию о перемещениях отражающей поверхности и рельефе. После этого вычисляют вертикальную составляющую перемещений отражающей поверхности Δrvert за время между съемками для карстовых участков или горизонтальную составляющую (составляющую скольжения) Δrslide для оползневых участков.

Таким образом, технология радиолокационной космической интерферометрии при использовании естественных постоянных отражателей позволяет обнаружить мелкомасштабные смещения элементов поверхности, являющиеся стабильными отражателями в зоне опасных карстовых и оползневых процессов в месте прохождения железных дорог.

4. Осуществление изобретения.

Описываемый способ мониторинга опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог с использованием естественных стабильных отражателей реализуется следующим образом. Проводят многократную (не менее 15 съемок) радиолокационную съемку зоны расположения железной дороги с повторяющихся орбит космических аппаратов, когда расстояние между траекториями полета космического аппарата, представляющее собой интерферометрическую базу, не превышает 500-2000 метров, в зависимости от длины волны сигнала радиолокатора. Для каждого элемента совмещенного набора из N изображений вычисляют среднее значение яркости m и среднеквадратическое отклонение σ, которые сравнивают с допустимыми пороговыми значениями mпор и σпор. Удовлетворяющие данному критерию элементы изображения принимаются как естественные стабильные отражатели и используются в дальнейшем для выявления динамики поверхности в месте их расположения. Далее для выбранной пары радиолокационных изображений, полученных в разные моменты времени, определяют разность фаз сигналов ΔФ в месте расположения естественных стабильных отражателей, содержащую информацию о перемещениях отражающей поверхности и рельефе.

Измерение перемещений стабильных элементов отражающей поверхности можно проводить с точностью до долей длины волны сигнала, что означает миллиметровую точность измерений при работе с радарами коротковолнового диапазона волн типа ERS, ENVISAT, TERRASAR-X или COSMO-SKYMED. В результате обеспечивается дистанционное обнаружение подвижек поверхности земли, опасных для инфраструктуры железных дорог.

Измерение разности фаз между элементами изображений комбинируемых сеансов можно проводить в диапазоне от минимального периода повторения орбиты до нескольких лет. Увеличение интервала времени между наблюдениями увеличивает амплитуду эффекта, вместе с тем оно также приводит к возрастанию временной декорреляции отражений от естественных стабильных отражателей, вплоть до полной потери сигнала.

Настоящее изобретение может быть использовано для мониторинга опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог и предотвращения таким образом техногенных катастроф.

Способ мониторинга опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог с использованием естественных стабильных отражателей, включающий многократную радиолокационную съемку зоны расположения железной дороги с повторяющихся орбит космических аппаратов, когда расстояние между траекториями полета космического аппарата, представляющее собой интерферометрическую базу, не превышает 500-2000 м, в зависимости от длины волны сигнала радиолокатора, отличающийся тем, что для каждого элемента совмещенного набора из N изображений вычисляют среднее значение яркости m и среднеквадратическое отклонение δ каждого элемента изображения по совокупности из N совмещенных изображений, которые сравнивают с допустимыми пороговыми значениями mпор и σпор, определяемыми путем анализа дисперсии амплитуды одноименных элементов изображения на серии радиолокационных изображений, а удовлетворяющие данному критерию элементы изображения принимают как естественные стабильные отражатели и используют в дальнейшем для выявления динамики поверхности путем измерения разности фаз сигналов ΔФ, содержащей информацию о перемещениях отражающей поверхности и рельефе в месте расположения естественных стабильных отражателей, затем, исходя из модели рельефа и геометрии съемки, вычисляют топографическую разность фаз ΔФtopo, порождаемую рельефом, и по разности указанных фаз определяют динамическую разность фаз ΔФdyn, за время между съемками обрабатываемой пары сеансов: ΔФdyn=ΔФ-ΔФtopo, которую используют для вычисления вертикального перемещения поверхности в зоне карстовой опасности или для определения дальности скольжения оползня по склону в зоне оползневой опасности, которые используют для выявления процессов на поверхности земли, опасных для инфраструктуры железных дорог.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиолокации и сейсмоакустике и может быть использовано для поиска объектов искусственного происхождения в земле. .

Изобретение относится к дистанционным способам обнаружения остановившихся объектов автотранспорта. .

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к области радиолокационной техники, и преимущественно может быть использовано для поиска, обнаружения и локализации скрытых акустоэлектрических преобразователей, например закладных микрофонов, в целях противодействия техническим средствам негласного перехвата аудиоинформации.

Изобретение относится к способам и системам для дистанционного обнаружения металлических предметов, например оружия. .

Изобретение относится к системам для обнаружения неразрешенных предметов и веществ в контролируемых объектах и может быть использовано при досмотре пассажиров на транспорте и посетителей общественных учреждений и зданий.

Изобретение относится к системам перехвата радиосигналов и может быть использовано в системах ПВО и гражданской авиации. .

Изобретение относится к классу геофизических приборов. .

Изобретение относится к измерительным системам, а именно к средствам контроля состояния конструкции и шасси летательного аппарата, и может быть использовано в различных транспортных средствах (самолетах, вертолетах, беспилотных летательных аппаратах и др.)

Изобретение относится к радиолокационным методам и средствам обнаружения подповерхностных объектов, позволящим осуществлять поиск траектории прокладки трасс подземных трубопроводящих коммуникаций, определять их поперечный размер и глубину залегания трасс в грунте, а также обнаруживать местоположение утечек нефти и газа из магистральных подземных трубопроводов

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в конденсированных средах

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к способу радиолокационного мониторинга морской поверхности в акваториях, вблизи фарватеров следования нефтеналивных судов, размещения нефтедобывающих платформ и может быть использовано для решения задач экологического контроля и раннего предупреждения о развитии чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефти

Изобретение относится к способам и системам для дистанционного обнаружения объектов разной природы, от металлических предметов, например оружия, до живых существ, которые могут быть скрыты непрозрачными преградами

Изобретение относится к области радиоизмерений с использованием дифракционной оптики и может найти применение при контроле загрязнений водной среды поверхностно-активными веществами с помощью радиолокационных средств, а также при моделировании гидродинамических процессов, влияющих на структуру поверхностного волнения

Изобретение относится к области навигации, а более конкретно к измерению параметров волнения посредством устройств, представляющих собой радиотехническое неконтактные измерители
Наверх