CC BY
75
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
88
УДК 539.194
В. С. Гречишкин, Л.В. Шерстнева ВЫДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЯКР ПОД ШУМОМ В МИНАХ
При анализе слабых сигналов ЯКР на предельных расстояниях в минах применены современные методы выделения сигналов из шумов. Из уравнений Фоккера — Планка показано, что имеет место дисперсия сигналов под шумом и переход линейчатого спектра ЯКР в сплошной при отношении сигнал/шум 0,05. С помощью оператора времени для сплошного спектра получено соотношение неопределенности в классической физике, из которого следует невозможность детектирования мин по гексогену на расстояниях более 35 см и по тротилу более 8 см. Осуществлена передача файла с сигналом через GPRS-связь на стационар, использован мини-вертолет для предварительной разведки с помощью тепловизора.
We studied NQR signals from Focker - Plank equations. At SNR < 0.05 there was impossible to detect the signals. We used time operator for the calculations of NQR spectrum under the noises and predicted, that in RDX one may see the signals only at the distance 35 cm, for TNT 8 cm. We used GPRS-connections for detection of NQR signals with mini-copter.
Для анализа сигналов ЯКР в минах под шумом при наличии дисперсии сигнала и порога SNR = 0,05 применим современные методы в теории необратимых процессов. В случае К-потоков (названных так в честь Колмогорова) оператору Лиувилля можно сопоставить такой эрмитов оператор Т, что их коммутатор равен константе:
I[L,T] = - I(LT - TL) = 1, (1)
где 1 — единичный оператор. Поскольку оператор Лиувилля соответствует производной по времени, то сопряженный оператор соответствует времени L = id/dt, T = t.
Для двух некоммутирующих операторов имеет место соотношение неопределенности
dLdT = 1/4 [LT - TL]. (2)
Введем оператор Т, соответствующий возрасту или внутреннему времени, который удовлетворяет соотношению (U) - 1TU = T + 1, где U = exp(-iLt).
Оператор Т допускает спектральное разложение и принимает собственные значения от «-» бесконечности до «+» бесконечности. Из соотношения (2) получаем для сплошного спектра оператора L
Вестник РГУ им. И. Канта. 2006. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 88 — 97.
dfdT = 1/2, (3)
т. е. распределение частот и времени не может одновременно описываться дельта-функциями, а соотношение (3) есть впервые полученное соотношение неопределенности в классической физике. Когда SNR в минах падает, то наступает предел 0,05, при котором линейчатый спектр ЯКР под шумом переходит в сплошной. При этом из соотношения (3) следует невозможность детектирования мин на этих расстояниях.
Первый эксперимент по детектированию отечественной мины ТМ-62П был выполнен под Калининградом (КВИУИВ) в 1984 г. [1] на частоте 3410 кГц (гексоген), расстоянии 7 см при дополнительном подъеме плоскости поверхности катушки на 2 см над землей. Мощность в импульсе составляла 0,5 кВт для последовательности импульсов SORC с расстройкой 1 кГц. Использовался синхронный детектор с чистым сигналом поглощения [2]. В 1985 г. был сконструирован новый прибор на частоту 5192 кГц (RDX) [3], при этом детектировались мины ТС-2.5, ТС-6 и М-14 (по тетрилу, 5290 кГц). При производстве мин расплавленный ТНТ затвердевает непосредственно в корпусе мины и представляет собой твердый раствор, поэтому сигнал ЯКР 14N в ТНТ имеет более сложную мультиплетную структуру, чем сигналы от RDX, и требует от детектирующего устройства высокой чувствительности и высокого разрешения при широкой полосе (до 100 кГц) сигнала ЯКР. Применение синхронного детектора позволяет использовать цифровое накопление сигнала для увеличения соотношения сигнал/шум. Кварцевый генератор синхронизирует работу РЧ генераторов 1 и 2, а также генератора импульсов. Синусоидальный сигнал с выхода генераторов поступает на вход соответствующих формирователей цифрового сигнала (ФЦС1 и ФЦС2), с выхода которых снимается меандр соответствующей частоты. Затем эти сигналы модулируются сигналом генератора импульсов, смешиваются и подаются в усилитель мощности. Применение синхронизирующего кварцевого генератора позволяет сохранять фазу сигнала постоянной во всех цепях схемы. Система катушек состоит из одновит-ковой плоской облучающей катушки и 4 приемных ферритовых антенн. Схема гашения звона (Q-switch) применяется для гашения сигнала приемного контура во время действия облучающих импульсов. Принятый эхо-сигнал мины после усиления смешивается в двухканальном синхронном детекторе типа Шустера с сигналами задающих генераторов 1 и 2. После оцифровки сигнала ЯКР от ТНТ с выборкой не более 5 мкс производится накопление и его запись в виде файла, что позволяет проводить его дальнейшую цифровую обработку методами спектрального оценивания с целью улучшить разрешение и отношение сигнал/ шум.
Резонансные частоты облучающего и приемного контуров и степень их связи настраивались таким образом, чтобы максимумы АЧХ приемно-облучающей системы совпадали с частотами задающих генераторов.
89
90
Кроме растворов взрывчатых веществ также изучался часто встречающийся на практике твердый раствор паранитротолуола и тринитротолуола. Присутствие паранитротолуола придает ТНТ характерный желтый цвет и неприятный запах, по которому собаки и находят мины. При добавлении 7 % ТНТ в паранитротолуол линия ЯКР на частоте 1144 кГц уширялась в 10 раз и для ее наблюдения приходилось применять последовательность стимулированных эхо, тогда как для мин ТС-2.5 и ТС-6 использовалась последовательность равноотстоящих импульсов с расстройкой (БОКС). Эту же последовательность мы применяли для детектирования тетриловых мин (М-14). На рисунке 1 приведена настройка поверхностной катушки в виде кольца диаметром 25 см и четырех ферритовых катушек на ферритах М-61 на частоты от ТНТ. Обычно работа ведется при парциальных добротностях 450 — 500.
Г1- 740 кГц Г2= 040 кГц
Рис. 1. Настройка на частоты тринитротолуола
Фактически система регулирует каждый контур на настройку на две частоты. Если коэффициент связи становится меньше единицы, то происходит резкое возрастание добротности и дальность обнаружения сигнала ЯКР повышается. Если добротности связанных контуров (плоское кольцо и четыре феррита с катушками) разные, то и парциальные добротности сильно отличаются друг от друга. Считается, что оба контура могут быть настроены на разные частоты и иметь разные добротности. Изменение коэффициента связи не влияет на парциальные добротности, но сильно действует на парциальные частоты. Для более точной и удобной настройки использована компьютерная программа. Были изучены не только твердые растворы ТНТ, но и его комплексы с нафталином и паранитротолуолом, а также некоторые изомеры ТНТ, которые могут встречаться в наполнителях мин. Для этого применен двойной ЯКР [4; 5]. Хотя ЯКР может применяться для обнаружения мин, доклады на Международной конференции по разминированию в Любляне в 2000 г. еще раз показали наличие ряда серьезных проблем
при детектировании ТНТ, в отличие от гексогена и тетрила [1; 2]. Система [3] испытывалась лишь в условиях лаборатории, так как требовала сложной настройки, тогда как [2] оказалась наиболее простой и надежной системой, прошедшей испытания в КВИУИВ в Борисово, а также в Нахабино и Новосибирске.
91
F1=5192 кГц F2=5290 кГц
Рис. 2. Настройка на частоты гексогена и тетрила
Цифровые генераторы настраивались на частоты гексогена (5192 кГц) и тетрила (5290 кГц). Часть блоков являются общими для обеих систем. Такая схема позволяет детектировать все три основных взрывчатых вещества в минах, а также их смеси. Например, мина АТ14 — 62Р-2 — 2 содержит 57,5 % гексогена, 19 % тротила, 4,77 % алюминиевой пудры и 6,44 % наполнителя. Эта мина была успешно изучена нами одной из первых. Итальянские мины ТС-2,5 и ТС-6 содержат 45 % гексогена и 55 % тротила, что позволяет детектировать их как по гексогену, так и по тротилу. Поскольку температура плавления ТНТ 81 °С, а гексогена — 204 °С, то в процессе производства мин, при переплавке смеси перед заливкой в пластмассовые корпуса, различные примеси, приводящие к уширению линий ЯКР, попадают в решетку ТНТ, в то время как гексоген при этой температуре не плавится и сохраняет свои первоначальные свойства (ширина линии ЯКР на частоте 5192 кГц в гексогене — всего 200 Гц). При мощности РЧ импульсов 2 кВт максимальное расстояние для гексогена достигало 30 — 35 см, а для тетрила — 25 см (мина М-14). Обычно же при испытаниях в разных почвах глубина залегания мин была около 10 — 15 см, поскольку с увеличением глубины эффективность мин снижается. Впервые удалось эффективно применить двухчастотный метод, что позволило обнаружить все три взрывчатых вещества и их смеси. Если продетектированный сигнал ЯКР оцифрован с достаточно корректной для данного сигнала частотой Найквиста, то для его дальнейшей обработки предлагается использовать один из вариантов метода матричного набора (Matrix Pencil Method — MPM), дающего наилучшие
статистические оценки для быстро затухающих и сильно зашумленных сигналов [9 — 11]. По данным [12], этот метод является наиболее статистически устойчивым по сравнению с другими и позволяет с вероятностью близкой к 100 % обнаружить сигналы с отношением сигнал/шум, равным 0,7. В данной работе было проведено сравнение методов улучшения соотношения сигнал/шум: матричного метода Matrix Pencil Method (MPM) и метода линейного предсказания (LPSVD) для сигнала ЯКР от RDX. На исходный сигнал накладывался случайный шум и производилось обнаружение сигнала ЯКР вышеперечисленными методами. Результаты представлены в таблице 1.
92
Таблица 1
Зависимость параметров сигнала ЯКР от отношения сигнал/шум
SNR Рез. LSPD MPM
А£рез, кГц АLрез, Гц ц ч ез р 4-1 А АLрез, Гц
— + + 3,559 273 3,551 260
2 + + 3,685 126 3,542 251
1 + + 3,475 465 3,492 289
0,665 + + 3,475 344 3,484 500
0,5 + +/- 3,610 275 3,358 814
0,45 - -
Из таблицы видно, что по своим возможностям оба метода примерно равны. Оба метода могут выделять полезный сигнал при соотношении сигнал/шум не менее 0,5, что намного лучше стандартного Фурье-преобразования, которое не работает под шумом. LSPD-метод работает более точно, но затраты на вычисления более чем в два раза превышают затраты для MPM-метода. В расчетах количество данных N = 575. Для расчетов использовался пакет MatLab V5. При N > 2000 были проблемы с методом LSPD, с MPM-методом этого не наблюдалось.
Из уравнения Ланжевена получаем x = g ± (^- -1)1/2, где х — фаза
сигнала, g — марковский шум. В точке бифуркации g = 2 наблюдалось хорошее согласие теории и эксперимента.
Для оцифровки сигналов была написана программа автоматического выделения данных из графиков и генерации шума нужного уровня на C++ Builder V5. Для передачи сигналов использовался GPRS-Интернет.
Выбор способа соединения GPRS-терминала и компьютера
В лаборатории мобильной связи изучены различные способы выхода в Интернет с помощью сотовых телефонов.
Прежде чем устанавливать и настраивать GPRS-модем, следует выбрать способ соединения GPRS-терминала (телефона) и компьютера и,
если это необходимо, приобрести дополнительно специальные устройства или аксессуары.
В зависимости от возможностей GPRS-терминала и компьютера используются следующие варианты соединения:
• Терминал — 9-контактный разъем RS-232.
Соединение с помощью специального кабеля, подключаемого в 9-контактный разъем последовательного порта или в 25-контактный разъем через стандартный переходник. Обычно в таких случаях используются кабели, входящие в комплект телефона. При покупке кабеля отдельно от телефона следует обратить внимание на то, что некоторые модели кабелей не позволяют телефону работать в режиме передачи данных, а предназначены лишь для редактирования телефонной книжки, синхронизации другой информации в телефоне и компьютере, загрузки картинок, мелодий и т. п.;
• Терминал — USB-разъем.
Соединение с помощью кабеля, подключаемого в USB-разъем компьютера. Обычно при таком способе соединения предварительно требуется установить устройство, которое будет создавать в операционной системе последовательный (СОМ) порт. Это делается с помощью программных средств и инструкций, предоставленных производителем соединительного кабеля. В некоторых случаях одновременно может производиться и установка модема (рекомендуем перед началом установки внимательно ознакомиться с инструкциями производителя).
• Терминал — 9-контактный разъем RS-232 — USB.
Соединение с помощью кабеля, подключаемого в 9-контактный
разъем специального кабеля-переходника RS-232 — USB, который необходим, если в компьютере отсутствует разъем RS-232. В этом случае, как и в предыдущем, требуется предварительно установить устройство, которое будет создавать в операционной системе последовательный порт. Это делается с помощью программных средств и инструкций, предоставленных производителем кабеля-переходника.
• Через встроенное в компьютер устройство ИК-связи.
Обычно указанное устройство уже установлено (или может быть автоматически установлено) в операционной системе, необходимо лишь убедиться, что оно не отключено ни в BIOS, ни в самой операционной системе.
• Через внешнее устройство ИК-связи.
Соединение с помощью дополнительного оборудования, подключаемого к компьютеру в разъем USB или RS-232. В этом случае требуется предварительно установить устройство, которое будет создавать в операционной системе виртуальный последовательный ИК-порт. Это можно сделать с помощью программных средств и инструкций, предоставленных производителем внешнего устройства ИК-связи.
• Через устройство Bluetooth.
Устройство подключается к гнезду PCMCIA или к USB-разъему компьютера. В этом случае в операционной системе требуется предварительно установить устройство, которое будет создавать логический
94
последовательный порт. Это можно сделать с помощью программных средств и инструкций, предоставленных производителем изделия Bluetooth-связи.
• Непосредственное подключение терминала в гнездо PCMCIA.
Выбор программы установки GPRS-модема
Для установки GPRS-модема в операционных системах Windows 98/ME/2000/XP требуется знать параметры модема.
GPRS-модем можно установить:
• непосредственно из операционной системы;
• с помощью специальных программ-драйверов (файлы с расширением INF), предоставляемых производителями оборудования на дискетах или компакт-дисках (драйверы устройств также можно найти на веб-сайтах соответствующих производителей оборудования);
• с помощью установочных EXE или CAB-файлов, в которых производители некоторых моделей терминалов предоставляют вспомогательное программное обеспечение (GPRS Wizard, Assistant, Manager и т. п.).
Выбрав программу установки модема или программное обеспечение типа GPRS Wizard, Assistant, Manager и т. п., достаточно затем запустить программу установки и следовать указаниям системы. Далее необходимо установить модем и настроить удаленное соединение в соответствии с инструкцией для операционной системы вашего компьютера. При желании воспользоваться специальными программами для доступа к Интернету (GPRS Wizard, Assistant, Manager и т. п.) необходимо обратиться к инструкциям разработчиков этих программ.
Настройки GPRS-терминала
В большинстве случаев специальная настройка телефона в качестве GPRS-модема не требуется: вся информация для успешного установления соединения передается компьютером терминалу непосредственно в процессе установления соединения
В телефонах Ericsson (SonyEricsson) учетные записи (Accounts) для доступа к WAP-ресурсам, а также для работы встроенных почтовых программ (при пользовании электронной почтой) и для доступа к Интернету через GPRS создаются единым списком с последовательным назначением идентификатора контекста CID (Context ID). Первая учетная запись получает CID = 1, вторая CID = 2 и т. д. В процессе установления соединения с Интернетом через GPRS-модем происходит передача и сохранение данных в учетной записи с идентификатором контекста, который использован при установлении соединения, например название точки доступа (APN). При некоторых условиях это может привести к нарушению доступа с данного теле-
фона к WAP-ресурсам. Чтобы избежать этого, можно поступить различными способами.
Предпочтительным вариантом является настройка в первую очередь (чтобы запись получила идентификатор контекста CID = 1) учетной записи для доступа к сети Интернет (с соответствующей точкой доступа). Эта учетная запись будет использоваться для доступа к Интернету или к электронной почте с помощью встроенной почтовой программы.
Настройка учетных записей в телефонах Erisson/SonyErisson:
Создание соединения для подключения к Интернету с персонального компьютера:
В пункте Menu -> Settings -> Data Comm -> Data Accoutns выберите Add Account? и в окошке укажите Account Type: GPRS Data. Введите название нового соединения, например Beeline-gprs-int. Далее в окошке настройки New GPRS Data введите:
APN: intet.kng.beeline.ru User id: beeline Password: beeline Password reqest: Off Allow calls: Auto IP address: оставить пустым Advan. settings:
Authentication: normal Data compr: Off Header compr: Off
Quality of serv: во всех подпунктах (1. Precedence... 5. Mean Rate) установить «Subscribed»
Сохраните введенные настройки и убедитесь, что созданное соединение имеет CID = 1 (Context Identification).
Далее необходимо активизировать ИК-связь телефона с компьютером как указано выше.
Следует учесть, что после нарушения ИК-связи между телефоном и компьютером операционная система может автоматически заменить модем, участвующий в соединении через ИК-порт, одним из других установленных модемов, например встроенным проводным модемом. Поэтому если телефон с включенной ИК-связью размещен напротив ИК-порта компьютера и раздался характерный звуковой сигнал, операционной системе потребуется некоторое время для перенастройки модема. Только после этого можно будет продолжать работать с удаленным соединением, которое использует ИК-связь с данной моделью телефона.
• Терминал выполнен в виде PCMCIA-карты.
Если производитель предоставляет программное обеспечение, то следует действовать в соответствии с инструкциями производителя по установке и настройке программного обеспечения. Если программное
96
обеспечение производителем не предоставлено, то вставьте карту в соответствующее гнездо компьютера и дождитесь появления сообщения об успешной установке «Стандартного PCMCIA-модема». Настройте модем вручную так, как это указано ниже.
• Терминал подключается с помощью кабеля или Bluetooth.
В этом случае необходимо выполнить установку модема вручную. Для этого откройте «Панель управления» (Пуск -> Панель управления). В открывшемся окне выберите настройки «Телефон и модем» и вкладку «Модемы». Если в операционной системе уже установлены модемы (например, в ноутбуке имеется встроенный модем, который устанавливается автоматически при загрузке операционной системы), то в окне будет виден установленный модем. В этом случае для установки GPRS-модема выберите «Добавить...». В окне «Мастера установки оборудования» отметьте поле «Не определять тип модема (выбор из списка)» и нажмите кнопку «Далее». Если вы решили установить один из стандартных модемов или уверены, что нужный вам модем имеется в базе данных Windows, то в открывшемся окне мастера «Установка модема» выберите в левой панели название фирмы-производителя, а затем в правой панели — модем, который будет устанавливаться. Нажмите кнопку «Далее». Если необходимо установить модем с помощью предоставленного производителем INF-файла, выберите «Установить с диска» и укажите местоположение INF-файла на дискете, компакт-диске или жестком диске вашего компьютера. В появившемся окне со списком модемов укажите требуемый вариант (в окне могут появиться названия нескольких модемов или вариантов подключения модема: с помощью кабеля, через ИК-связь или через Bluetooth), нажмите кнопку «Далее». В открывшемся окне укажите, на какой порт произвести установку, и снова нажмите «Далее». Если система выведет окно с предупреждением об отсутствии цифровой подписи, выберите кнопку «Все равно продолжить» и дождитесь появления окна с сообщением, что модем успешно установлен. Закройте окно нажатием кнопки «Готово». В окне «Телефон и модем» должен появиться установленный модем.
Для идентификации установленного соединения на панели задач во всплывающем меню выберите пункт «Отключиться».
«Установка связи»: введите имя пользователя (beeline) и пароль (beeline).
Для повышения отношения сигнал/шум применен метод ITMPM, описанный ранее [9; 12]. После точки бифуркации при SNR < 0,05 обнаружено нарушение симметрии и появление мягких массовых фотонов Хиггса.
В данной работе было проведено сравнение методов улучшения соотношения сигнал/шум: матричного метода Matrix Pencil Metod (MPM) и метода линейного предсказания (LPSVD) для сигнала. На исходный сигнал накладывался случайный шум и осуществлялась попытка обнаружения сигнала вышеперечисленными методами.
В приборе использованы усилители мощности типа AR-347 — 1kW после переделки. Вес мобильного ЯКР детектора составил около 20 кг вместе с камера-компьютером и телефоном LG7030, который через программу LGInternetKit позволял осуществлять выход в Интернет с помощью Data и GPRS Call, телефон дозвона 991.
В работе [17] утверждается, что соотношение неопределенности между энергией и временем существует в квантовой механике, но это не так, потому что время в квантовой механике — число [15; 16].
Результаты нашего исследования многократно обсуждались на научных семинарах в Калининграде, Аахене, Дортмунде, Дармштадте, Любляне, Сеуле, Перте, Познани, Пекине, Токояме.
Список литературы
1. Grechishkin V.S. // Appl. Phys. 1992. A 55. Р. 505—507.
2. Grechishkin V.S. // Appl. Phys. 1994. A 58. Р. 63—66.
3. Гречишкин В. С., Синявский Н.Я. и др. // Известия вузов: Физика. 1992. № 7. С. 58—61.
4. Anferov V.P. et al. // Rev. Sci. Instr. 2000. Vol. 71(4). Р. 1656 — 1659.
5. Гречишкин В. С. // Известия вузов: Физика. 1994. № 12. С. 107—109.
6. Rudakov T.N. et al. // Meas. Sci. Techn. 1997. Vol. 8. Р. 444 —448.
7. Rowe M.D., Smith J.A.S. // The detection of abandoned land mines: Eurel International Conference. 7—9 Oct. 1996. P. 62 — 66.
8. Азизов Э.О., Гречишкин В.С., Луганский Ю.М., Луганская Г.И. Двухчастотный импульсный спектрометр ЯКР 14-N // Известия АН СССР. Сер. Физическая. Т. 42, № 10, 1978.
9. Yung-Ya Lin, Hodgkinson P., Ernst M., Pines A. A Novel Detection-Estimation Scheme for Noisy NMR Signals: Application to Delayed Acquisition Data / / J. Magn. Res. 1997. Vol. 128. Р. 30—41.
10. Marple S. Digital Spectral Analysis with Applications. Prentice-Hall, 1987.
11. Hua Y., Sarkar T.K. Matrix Pencil Method for Estimating Parameters of Exponentially Damped // Undamped Sinusoids in Noise. IEEE Trans. Acoustics. Speech and Signal Processing. 1990. Vol. 38. N 5. P. 814 — 824.
12. Гречишкин В. С., Хо Хун, Коваленко Р. В., Чо Юн Хьюн // Вестник Калининградского государственного университета. Вып. 3: Сер. Информатика и телекоммуникации. Калининград, 2003.
13. Гречишкин В.С., Анферова Л.В. / / Специальная техника. 2004. Вып. 3. С. 42—49.
14. Гречишкин В. С., Шпилевой А.А., Бурмистров В. И. // Специальная техника. 2004. Вып. 5. С. 29 — 35.
15. Пригожин И. От существующего к возникающему. М., 1985.
16. Соколов А.А., Лоскутов Ю.М., Тернов И.М. Квантовая механика. М., 1962.
17. Ферми Э. Квантовая механика. М., 1965.
Об авторах
В.С. Гречишкин — д-р физ.-мат. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ, РГУ им. И. Канта, [email protected].
Л. В. Шерстнева — асп., РГУ им. И. Канта.
