способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды
Классы МПК: | G01N22/00 Исследование или анализ материалов с использованием сверхвысоких частот |
Автор(ы): | Агзамов Р.З., Павлов А.В., Шустов Э.И. |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский центр "Резонанс" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-04-30 публикация патента:
09.07.1995 |
Использование: для измерения характеристик слоистых сред и может использоваться для поверхностного зондирования, диагностики и неразрушающего контроля. Сущность изобретения: способ измерения толщин и диэлектрических проницаемостей слоев многослойных сред заключается в том, что в сторону многослойной среды излучают N когерентных зондирующих сигналов на N частотах, принимают в секторе углов N зондирующих сигналов, отраженных от многослойной среды, производят преобразование принятых сигналов в временную область, выделяют пиковые временные составляющие во временном спектре, измеряют времена выделенных пиковых временных составляющих и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев в соответствии с расчетными формулами, причем предполагается, что углы приема сигналов отраженных многослойной средой, известны. 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОНИЦАЕМОСТЕЙ И ТОЛЩИН СЛОЕВ МНОГОСЛОЙНОЙ СРЕДЫ, заключающийся в том, что многослойную среду зондируют N когерентными сигналами на N частотах, принимают N сигналов, отраженных от многослойной среды, 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, отличающийся тем, что зондирование и прием осуществляют в секторе углов, а диэлектрические проницаемости и толщины слоев определяют по формулам

где i номер слоев;





где h1, h2 высоты от границы раздела первого и второго слоев до мест, откуда производится зондирование и места приема сигналов соответственно;

c скорость света;
ti 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.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерению характеристик слоистых сред и может быть использовано для подповерхностного зондирования, диагностики и неразрушающего контроля. Известен способ зондирования слоистых сред, в котором используются импульсные зондирующие сигналы. В этом способе толщины слоев могут определяться по временной задержке сигналов, отраженных от границ раздела слоев. В этом случае измеряемые задержки отраженных сигналов определяются как толщинами слоев, так и их диэлектрическими проницаемостями и точности измерения толщин/диэлектрических проницаемостей слоев зависят от того, насколько точно известны диэлектрические проницаемости/толщины слоев. Если толщины, либо диэлектрические проницаемости не известны, то измерение диэлектрических проницаемостей, а следовательно, и толщин слоев, с использованием этого метода, может быть выполнено, если измеряются амплитуды принятых сигналов. Определение по измеренным амплитудам сигналов коэффициентов отражений на границах раздела сред и затуханий сигналов в слоях позволяет рассчитать диэлектрические проницаемости и толщины слоев. Недостатком данного способа является то, что неточное измерение амплитуд принимаемых сигналов, из-за разных факторов, непосредственно влияет на точность измерения диэлектрических пpоницаемос-тей и толщин слоев. Наиболее близким техническим решением является способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды, заключающийся в излучении в сторону многослойной среды N когерентных сигналов на N частотах, приеме N сигналов, отраженных от многослойной среды, преобразовании принятых сигналов во временную область, выделении пиковых временных (сачтотных) составляющих во временном спектре, измерении частот выделенных пиковых составляющих и определении диэлектрических проницаемостей и толщин слоев в соответствии с расчетными формулами. Недостатком этого способа является низкая точность измерения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев. Целью предложенного способа является повышение точности измерения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев. Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе зондирование слоистой среды производится в секторе углов и отраженные сигналы принимаются в секторе углов. Знание углов приема отраженных сигналов и измеренные времена (cачтоты) выделенных пиковых составляющих позволяют рассчитать диэлектрические проницаемости и толщины слоев. Предлагаемый способ определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев многослойной среды заключается в том, что в сторону многослойной среды излучают N когерентных сигналов на N частотах, принимают N сигналов, отраженных от многослойной среды, производят временную (cачтотную) фильтрацию N принятых сигналов, выделяют пиковые временные (cачтотные) составляющие во временном (cачтотном) спектре, измеряют времена выделенных пиковых составляющих и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев. Предлагаемый способ отличается тем, что сигналы излучают и принимают в секторе углов и определяют диэлектрические проницаемости и толщины слоев в соответствии с другими расчетными формулами, приводимыми ниже. На фиг. 1 показана схема излучения, распространения и приема сигналов; на фиг. 2 характерные временные спектры принятого сигнала, полученные на модели; на фиг. 3 схема устройства, реализующего способ; на фиг. 4 блок-схема алгоритма выделения пиковых составляющих во временном спектре. При расположении передающего и приемного устройств вблизи поверхности многослойной среды (см. фиг. 1), отраженные от границ раздела сред сигналы принимаются под разными углами. Покажем, что измерение cачтот пиковых составляющих во временном (cачтотном спектре) кепстре и знание углов приема сигналов, отраженных от разных границ раздела сред, позволяют определить диэлектрические проницаемости и толщины слоев. Под временной фильтрацией понимается операция обратного преобразования Фурье от частотной зависимости принятого суммарного сигнала. Под cачтотной фильтрацией понимается определение кепстра с помощью авторегрессионного анализа, по корреляционному и автокорреляционному алгоритмам, либо другими методами. В соответствии с фиг. 1 можно записать следующую систему уравнений:



h1 и h2 высоты размещения над поверхностью слоистой среды передатчика и приемника соответственно;



ti cачтота i-й пиковой составляющей во временном спектре/кепcтре, обусловленная отражением сигнала от границы раздела i-го и i+1-го слоев;
d проекция на повеpхность расстояния между передатчиком и приемником;
С скорость света. Преобразуем систему уравнений (1)


После подстановки

t2


Отсюда
sin


Подставив выражение (4) в первое уравнение системы (1), получим



(5)

Определим




Рассмотрим случай зондирования двухслойной подповерхностной структуры. Запишем систему уравнений для этого случая


Преобразуем систему уравнений (7)


Из системы уравнений (8) получим

Откуда
sin


Тогда








В общем случае для слоистой среды формулы для определения диэлектрических проницаемостей и толщин слоев запишутся в следующем виде:













Поскольку cos







Как видно из формул (15) и (16), зная углы приема












Класс G01N22/00 Исследование или анализ материалов с использованием сверхвысоких частот