Способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта

Изобретение относится к области электротехники, в частности к дистанционному измерению диэлектрической проницаемости диэлектриков. При определении диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта на фоне отражателя проводят облучение диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на N-частотах с получением трехмерного СВЧ-изображения диэлектрического объекта и отражателя и с помощью двух или более видеокамер, синхронизированных с источником СВЧ-излучения, преобразуют полученное видеоизображение в цифровой вид и строят трехмерное видеоизображение указанной области, переводя трехмерное видеоизображение и СВЧ-изображение в общую систему координат, определяют расстояние Z₁ между источником СВЧ-излучения и отражателем, свободным от диэлектрического объекта, и расстояние Z₂ между источником СВЧ-излучения и участком СВЧ-изображения отражателя в зоне диэлектрического объекта, и по видеоизображению определяют в общей системе координат расстояние Z₃ между источником СВЧ-излучения и видеоизображением диэлектрического объекта, после чего определяют диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта из соотношения

Обеспечивается возможность дистанционного определения диэлектрической проницаемости движущегося диэлектрического объекта неправильной формы.

 

Изобретение относится к области дистанционного измерения физических характеристик объектов, в частности диэлектрической проницаемости диэлектриков.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости материала, заключающийся в облучении испытуемого образца электромагнитной волной двуплечим излучателем, изменении разности фаз сигналов в плечах излучателя и измерении амплитуды прошедшей под углом волны, и определении диэлектрической проницаемости; одновременно с изменением разности фаз в плечах излучателя снимают зависимость амплитуды прошедшей волны от длины плеча, а диэлектрическую проницаемость определяют по формуле

где λ₀ - длина волны в свободном пространстве; λ_b - длина волны в двуплечем излучателе; Δ - период следования нулей амплитуды прошедшей волны, а угол θ выбирается из соотношения

где d_k - предельный размер плеча излучателя, SU 1800333 А1.

Недостатком способа является необходимость контакта излучателя с объектом определения диэлектрической проницаемости. Кроме того, этот объект должен иметь плоскую грань для обеспечения контакта с излучателем. Указанные обстоятельства не позволяют использовать данный способ для дистанционного определения диэлектрической проницаемости объектов.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта путем облучения диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на N-частотах; облучение производится на фоне отражателей, которыми являются границы слоев объекта, либо граница диэлектрического объекта и воздуха, либо физическое тело, на котором размещен исследуемый диэлектрический объект. Производят регистрацию сигнала, отраженного от диэлектрического объекта и отражателя, 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; зондирование и прием осуществляют в секторе углов, а диэлектрические проницаемости и толщины слоев определяют по формулам

где i - номер слоя; ε_i ε_p - диэлектрическая проницаемость i- и р-го слоев; ε₁ - диэлектрическая проницаемость среды, в которой осуществляется зондирование и прием сигналов; Δl_i - толщина i-го слоя; , где h₁ и h₂ - высоты от границы раздела первого и второго слоев до мест, откуда производится зондирование, и места приема сигналов соответственно; - угол приема сигнала, отраженного от границы раздела i- и i+1-го слоев, с - скоростью 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, RU 2039352.

Недостатком данного способа, принятого в качестве прототипа настоящего изобретения, является необходимость параллельности слоев диэлектрического объекта, а если он состоит из монослоя, то необходима параллельность его граней. В связи с этим способ может быть реализован только в отношении специально изготовленных объектов. Кроме того, для реализации способа необходимо соблюдение определенных углов падения и отражения СВЧ-излучения относительно диэлектрического объекта.

Указанное выше не позволяет практически использовать способ для определения диэлектрической проницаемости движущегося и скрытого объекта с непараллельными слоями или гранями, в частности для скрытого определения наличия диэлектрических взрывчатых веществ, спрятанных на теле человека. Как известно, диэлектрическая проницаемость подавляющего большинства этих веществ находится в пределах 2,9-3,1.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности дистанционного определения диэлектрической проницаемости движущегося диэлектрического объекта неправильной формы.

Согласно изобретению в способе определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта на фоне отражателя путем облучения диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на N-частотах, регистрации сигнала, отраженного от диэлектрического объекта и отражателя, осуществляют когерентную обработку зарегистрированного сигнала с получением трехмерного СВЧ-изображения диэлектрического объекта и отражателя, дополнительно получают видеоизображение области, в которой находится диэлектрический объект и отражатель с помощью двух или более видеокамер, синхронизированных с источником СВЧ-излучения, преобразуют полученное видеоизображение в цифровой вид и строят трехмерное видеоизображение указанной области, переводят трехмерное видеоизображение и СВЧ-изображение в общую систему координат, определяют по СВЧ-изображению в общей системе координат расстояние Z₁ между источником СВЧ-излучения и участком СВЧ-изображения отражателя, свободным от диэлектрического объекта, и расстояние Z₂ между источником СВЧ-излучения и участком СВЧ-изображения отражателя в зоне диэлектрического объекта, по видеоизображению определяют в общей системе координат расстояние Z₃ между источником СВЧ-излучения и видеоизображением диэлектрического объекта, при этом определяют диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта из соотношения

Реализация способа иллюстрируется конкретным примером. Для осуществления способа определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта на фоне отражателя в качестве отражателя был взят манекен, имитирующий тело человека, с прикрепленным к нему диэлектрическим объектом - пчелиным воском, диэлектрическую проницаемость которого требовалось определить. Манекен с прикрепленным к нему диэлектрическим объектом облучался когерентным СВЧ-излучением на 14 эквидистантных частотах в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц. Облучение производилось с помощью коммутируемой плоской антенной решетки с гексагональной компоновкой излучающих элементов и состоящей из 256 элементарных излучателей. Отраженный сигнал в виде двух квадратурных компонент в двух параллельных приемных каналах регистрировался 12-разрядными аналогово-цифровыми преобразователями. С выхода приемных каналов данные, соответствующие электрической компоненте зарегистрированного рассеянного электромагнитного поля, поступали в компьютер, где методом фокусировки (когерентной обработки) формировалось СВЧ-изображение, соответствующее только одной трехмерной поверхности, сформированной из точек, соответствующих максимальным значениям интенсивности восстановленной конфигурации рассеивателей диэлектрического объекта и отражателя. Синхронно с облучением СВЧ-излучением получали видеоизображение диэлектрического объекта и отражателя с помощью двух цифровых пространственно разнесенных видеокамер SDU-415 и строили трехмерное видеоизображение области, включающей диэлектрический объект и отражатель. Затем преобразовывали СВЧ-изображение и трехмерное видеоизображение в общую систему координат - в данном случае общая система координат задана плоскостью антенной решетки и перпендикуляром к ней, проведенным через ее центр. Затем анализировали два изображения - СВЧ-изображение и трехмерное видеоизображение - в общей системе координат. Определяли значение Z₁ - расстояния между источником СВЧ-излучения и участком СВЧ-изображения отражателя, свободным от диэлектрического объекта, и расстояние Z₂ между источником СВЧ-излучения и участком СВЧ-изображения отражателя в зоне диэлектрического объекта, по видеоизображению определяли расстояние Z₃ между источником СВЧ-излучения и видеоизображением диэлектрического объекта, при этом диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта на фоне отражателя определяли из соотношения

В конкретном примере:

Z₁=122 см, Z₂=128 см, Z₃=112 см,

ε=2.56.

Исходя из значения ε для исследуемого объекта, можно сделать вывод, что этот объект не относится к распространенным и используемым в настоящее время взрывчатым веществам, таким как тротил, гексаген, тетрил, пластид.

Возможно использование способа для иных целей, а именно для определения физических характеристик диэлектриков, используемых в электротехнической промышленности.

Способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта на фоне отражателя путем облучения диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на N-частотах, регистрации сигнала, отраженного от диэлектрического объекта и отражателя, отличающийся тем, что осуществляют когерентную обработку зарегистрированного сигнала с получением трехмерного СВЧ-изображения диэлектрического объекта и отражателя, дополнительно получают видеоизображение области, в которой находится диэлектрический объект и отражатель с помощью двух или более видеокамер, синхронизированных с источником СВЧ-излучения, преобразуют полученное видеоизображение в цифровой вид и строят трехмерное видеоизображение указанной области, переводят трехмерное видеоизображение и СВЧ-изображение в общую систему координат, определяют по СВЧ-изображению в общей системе координат расстояние Z₁ между источником СВЧ-излучения и участком СВЧ-изображения отражателя, свободным от диэлектрического объекта, и расстояние Z₂ между источником СВЧ-излучения и участком СВЧ-изображения отражателя в зоне диэлектрического объекта, по видеоизображению определяют в общей системе координат расстояние Z₃ между источником СВЧ-излучения и видеоизображением диэлектрического объекта, при этом определяют диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта из соотношения:
.