Способ дистанционного определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта

Изобретение относится к области дистанционного измерения физических характеристик объектов, в частности диэлектрической проницаемости диэлектриков. В способе, включающем облучение диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на наборе частот, регистрацию сигнала, несущего информацию о диэлектрической проницаемости объекта, после прохождения сигналом объекта с помощью канала регистрации, содержащего средства регистрации, и когерентную обработку зарегистрированного сигнала, согласно изобретению облучение объекта осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, при этом регистрацию сигнала каждого передающего элемента осуществляют соответствующим ему средством регистрации, а при обработке зарегистрированного сигнала определяют множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре передающий элемент - средство регистрации на наборе частот, затем вычисляют распределение плотности удлинения оптического пути методом обратного проецирования, выделяют непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути методом сегментации трехмерного изображения, затем вычисляют диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат по формуле: , где ρ - средняя плотность удлинения оптического пути для диэлектрического объекта; L_x - размер по оси x; L_z - размер по оси z. Технический результат заключается в возможности определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта дистанционно, независимо от возможности непосредственного ручного измерения его размеров.

 

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

Существуют практические задачи, когда требуется определение диэлектрической проницаемости объекта без непосредственного контакта с ним измерительной аппаратуры.

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 волны под углом 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;

Δ - период следования нулей амплитуды прошедшей волны,

λ_b - длина волны в двуплечем излучателе;

а угол θ выбирается из соотношения

, где:

d_k - предельный размер плеча излучателя, SU 1800333 А1, 07.03.1993.

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-излучателем 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 слоев;

ε_i, ε_p - диэлектрическая проницаемость i- и р-го слоев;

ε₁ - диэлектрическая проницаемость среды, с которой осуществляется зондирование и прием сигналов;

Δ1_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 со 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 С1, 09.07.1995.

Недостатком данного способа 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 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.

Известен 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, 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:

,

RU 2408005 C1, 27.12.2010.

Недостатком известного способа является низкая точность определения диэлектрической проницаемости ε при движении исследуемого диэлектрического объекта, что требует для компенсации весьма точной синхронизации движущегося объекта и отражателя, а также синхронизации работы видеокамеры и средств регистрации отраженного сигнала; такая синхронизация трудно достижима и в любом случае не обеспечивает требуемой точности определения ε. Кроме того, способ требует освещения, достаточного для работы видеокамер.

Известен способ дистанционного определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта, включающий облучение диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на N частотах, регистрацию сигнала, несущего информацию о диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта с помощью канала регистрации, содержащего средства регистрации, и когерентную обработку зарегистрированного сигнала, при этом регистрируют сигнал, прошедший через диэлектрический объект, затем определяют зависимость выражения:

, где:

N - количество частот СВЧ-излучения;

k - номер частоты СВЧ-излучения из N частот;

f_k - k-я частота СВЧ-излучения из N частот;

i - мнимая единица;

c - скорость света в вакууме;

Аобъект_k - амплитуда зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в присутствии объекта в контролируемой области пространства;

Фобъект_k - фаза зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в присутствии объекта в контролируемой области пространства, выраженная в радианах;

Acn_к - амплитуда зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в отсутствие объекта в контролируемой области пространства;

Фcn_k - фаза зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в отсутствие объекта в контролируемой области пространства, от

x - координаты по оси X, соединяющей средство регистрации и источник СВЧ-излучения,

определяют значение χ_max, при котором F имеет максимальное значение, и определяют диэлектрическую проницаемость по формуле:

, где:

L - физический размер диэлектрического объекта вдоль оси X, RU 2563581 С1, 25.08.2015.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Благодаря тому что регистрацию сигнала, несущего информацию о диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта, находящегося в контролируемой области пространства, осуществляют после прохождения сигналом этой области, достигается технический результат, состоящий в исключении необходимости построения СВЧ-изображения, трехмерного видеоизображения и последующего сравнения СВЧ- и видеоизображений, поскольку в заявленном способе происходит определение длин оптического пути СВЧ-излучения, проходящего через контролируемую область, в присутствии и в отсутствие в ней объекта. Таким образом исключаются ошибки, связанные с построением и сравнением СВЧ- и видеоизображений. При этом упрощается и удешевляется реализация способа, так как исключается необходимость наличия дорогостоящего специального видеооборудования. Поскольку способ-прототип не базируется на регистрации рассеянного излучения, уровень регистрируемых сигналов, практически, не ослабляется, в результате чего увеличивается отношение сигнал/шум, что позволяет уменьшить ошибки в результатах при осуществлении способа.

Недостатком прототипа является невозможность реализации способа при отсутствии возможности непосредственного ручного измерения размеров диэлектрического объекта.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта дистанционно, независимо от возможности непосредственного ручного измерения его размера.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе дистанционного определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта, включающем облучение диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на наборе частот, регистрацию сигнала, несущего информацию о диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта, после прохождения сигналом диэлектрического объекта с помощью канала регистрации, содержащего средства регистрации, и когерентную обработку зарегистрированного сигнала, согласно изобретению облучение диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, при этом регистрацию сигнала каждого передающего элемента осуществляют соответствующим ему средством регистрации, а при обработке зарегистрированного сигнала определяют множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре передающий элемент - средство регистрации на наборе частот, затем вычисляют распределение плотности удлинения оптического пути методом обратного проецирования, выделяют непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути методом сегментации трехмерного изображения, затем вычисляют диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат по формуле:

, где:

ρ - средняя плотность удлинения оптического пути для диэлектрического объекта;

L_x - размер по оси x;

L_z - размер по оси z,

при этом среднюю плотность удлинения ρ оптического пути вычисляют по формуле:

, где:

N - количество вокселей в выделенном непрерывном участке;

ρ_i - плотность удлинения в i-м вокселе, а

L_x (размер по оси x) и L_z (размер по оси z) вычисляют по формуле:

, где:

, где:

, где:

μ_i - i-я координата центра выделенного непрерывного участка;

i - х или z координата;

N- количество вокселей в выделенном непрерывном участке;

r_ij - координата j-го вокселя по i-й координате.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «Новизна».

Благодаря тому что облучение области СВЧ-излучением осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, обеспечивается возможность вычисления распределения плотности удлинения оптического пути, соответствующего определенной паре передающий элемент-средство регистрации на наборе частот, что позволяет дистанционно определить положение объекта в пространстве, его размеры и диэлектрическую проницаемость. Реализация признаков заявленного способа обусловливает достижение технического результата, состоящего в обеспечении возможности определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта дистанционно, независимо от возможности непосредственного ручного измерения его размеров.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат.

Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения условию патентоспособности «Изобретательский уровень».

Реализация способа иллюстрируется конкретным примером.

Для осуществления способа был взят диэлектрический объект - брусок из поливинилхлорида размером 15×15×8 см с заранее измеренной диэлектрической проницаемостью ε=4,0±0,2.

Исследуемый образец облучали когерентным СВЧ-излучением последовательно набором из 32 фиксированных эквидистантных частот в диапазоне 8-18 ГГц. Облучение производили с помощью множества передающих элементов, в качестве которых были использованы элементарные излучатели, собранные в конкретном примере в два массива по 16×16 элементарных передающих антенн. Прошедший через диэлектрический объект сигнал регистрировали средствами регистрации, в качестве которых в данном примере были использованы 6 (шесть) широкополосных антенн Вивальди, расположенных в различных точках пространства так, чтобы обеспечивать достаточно широкую область геометрических пересечений. Антенны Вивальди связаны с регистратором, в частности с 12-разрядным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). С выхода АЦП через схему коммутации данные, соответствующие электрической компоненте зарегистрированного электромагнитного поля, прошедшего сквозь диэлектрический объект, поступали в компьютер, где для каждого передающего элемента после когерентной обработки формировался массив значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре излучатель-регистратор на наборе частот. Затем вычисляли распределение плотности удлинения оптического пути в конкретной области пространства методом обратного проецирования (см. Троицкий И.Н. Статистическая теория томографии. Москва: Радиосвязь, 1989 г., стр. 25, формула 1.48), выделяли непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути методом сегментации 3-мерного изображения (см. выкопировку с сайта в Интеренете: Wolfram Language System. Documentation Center, http://reference.wolfram.com/language/guide/3DImages.html, http://reference.wolfram.com/language/guide/Segmentation Analysis.html, http://reference.wolfram.com/language/ref/ArrayComponents.html), аналитически для каждого выделенного участка вычисляли среднюю плотность удлинения ρ оптического пути, положение и размеры диэлектрического объекта в системе координат (x, y, z), диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат.

Среднюю плотность удлинения оптического пути ρ вычисляли по формуле:

, где:

N - количество вокселей (аналог двумерных пикселов для трехмерного пространства) в выделенном непрерывном участке;

ρ_i - плотность удлинения в i-м вокселе.

В данном примере средняя плотность удлинения оптического пути ρ=13,737 см.

Размеры объекта в системе координат (x, y, z) вычисляли по формуле:

, где:

, где:

i - x, y или z координата,

N - количество вокселей в выделенном непрерывном участке,

r_ij - координата j-го вокселя по i-й координате,

μ_i - i-я координата центра выделенного непрерывного участка вычисляли по формуле:

.

В примере положение объекта - (- 14,9106; 2,80894; -18.4472) см и размеры объекта в системе координат (x, y, z) составили L_x=21,9422 см, L_y=13,1105 см, L_z=10.2897 см.

Диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат вычисляли по формуле:

, где:

ε - диэлектрическая проницаемость;

ρ - средняя плотность удлинения оптического пути для диэлектрического объекта;

L_x - размер по оси x;

L_z - размер по оси z.

В данном примере диэлектрическая проницаемость ε=3,92254.

Заявленный способ обеспечивает возможность определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта дистанционно, независимо от возможности непосредственного ручного измерения его размеров.

Заявленный способ может быть также использован для определения ε диэлектриков, используемых в промышленности.

Для реализации способа используется известное оборудование и инструменты, что позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».

Способ дистанционного определения диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта, включающий облучение диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на наборе частот, регистрацию сигнала, несущего информацию о диэлектрической проницаемости диэлектрического объекта, после прохождения сигналом диэлектрического объекта с помощью канала регистрации, содержащего средства регистрации, и когерентную обработку зарегистрированного сигнала, отличающийся тем, что облучение диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, при этом регистрацию сигнала каждого передающего элемента осуществляют соответствующим ему средством регистрации, а при обработке зарегистрированного сигнала определяют множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре передающий элемент - средство регистрации на наборе частот, затем вычисляют распределение плотности удлинения оптического пути методом обратного проецирования, выделяют непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути методом сегментации трехмерного изображения, затем вычисляют диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат по формуле:

, где:

ρ - средняя плотность удлинения оптического пути для диэлектрического объекта;

L_x - размер по оси x;

L_z - размер по оси z,

при этом среднюю плотность удлинения ρ оптического пути вычисляют по формуле:

, где:

N - количество вокселей в выделенном непрерывном участке;

ρ_i - плотность удлинения в i-м вокселе, а

L_x (размер по оси х) и L_z (размер по оси z) вычисляют по формуле:

L_i=6σ_i где:

, где:

, где:

μ_i - i-я координата центра выделенного непрерывного участка;

i - х или z координата;

N - количество вокселей в выделенном непрерывном участке;

r_ij - координата j-гo вокселя по i-й координате.