Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Моделирование рассеяния сверхширокополосных импульсов почвенным покровом представленным как плоскослоистая среда (№13-05-98037 р_сибирь_а).

Отношение к критическим технологиям:
Технологии оценки ресурсов и прогнозирования состояния литосферы и биосферы


Контактная информация

Название организации
ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный университет"


ФИО руководителя организации
Землюков Сергей Валентинович


Юридический адрес
656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61


Почтовый адрес
656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61


ФИО руководителя проекта:
Зацепин Павел Михайлович


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Восстановление подповерхностного профиля почвы по результатам зондирования сверхширокополосными импульсами. Полуаналитическое решение задачи рассеяния сверхширокополосного импульса на слоистой структуре. Исследования по данному проекту приведут к разработке нового численно-аналитического метода решения краевых задач электродинамики. Метод основан на применении адаптивных интегральных преобразований, в частности, интегрального вейвлет-преобразования и сверточного преобразования Фурье. Разрабатываемый метод обеспечит эффективное решение внутренних и внешних задач электродинамики, рассматривающих распространение и рассеяние сверхкоротких электромагнитных импульсов в различных средах. В ходе выполнения проекта метод будет применен к решению задачи рассеяния короткого импульса на слоистой структуре, как модели почвенного покрова. Будет рассмотрена возможность применения создаваемого метода к задачам радиолокации и дистанционного зондирования.


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
Активное развитие технологий радиолокации повело за собой широкое их внедрение в сферы практической деятельности человека — в обеспечение безопасности авиаперелѐтов и дорожного движения, навигацию, робототехнику, геофизику, космическое дистанционное зондирование окружающей среды. При должном развитии методов извлечения информации из спутниковых данных, дистанционное зондирование почвенного покрова может стать крайне полезным для сельского хозяйства. Одной из актуальных задач дистанционного зондирования является определение характеристик подстилающего покрова с борта летательного аппарата. В данном контексте очень важным является дистанционное изучение почвенного покрова. Практическая актуальность этой задачи определяется потребностями сельского хозяйства, а также вопросами экологии, связанными с состоянием почвы. В данном контексте важными задачами являются как определение характеристик почвы, каких как влажность, засоленность, химический состав, толщина дерна, так и дистанционное изучение динамики почвенного покрова (например, развитие эрозии почв и заовраженности). Все вышеперечисленные характеристики будут измерены на глубину прикорневой зоны посевов. Все эти факторы крайне важны для регионов России, делающих упор на выращивание агрокультур как для пищевой, так и для непищевой промышленности. Построение карт указанных характеристик может быть произведено и другими методами, связанными с прямым забором проб на большой территории, прямым измерением характеристик почв из проб. Этот подход приводит необходимости постоянного использования дорогостоящего оборудования для измерения искомых характеристик, не может обеспечить оперативности исследований, приводит к получению излишне точных измерений в выбранных точках, но никак не учитывает возможные неоднородности в характеристиках на небольших масштабах. Забор проб может привести к вытаптыванию посевов и гарантированно приводит к нарушению целостности поверхности, что часто является причиной образования оврагов на месте плодородных полей. Применение методов дистанционного зондирования лишено большинства указанных недостатков за исключением необходимости предварительного забора некоторого количества проб по всей территории Алтайского края для построения модели почвенного покрова региона. В настоящее время нет достоверных методов определения характеристик почвы на больших территориях на глубину прикорневой области с использованием технологий дистанционного зондирования. Из литературы известно, что построение модели почвы может быть сведено к рассмотрению модели структуры, состоящей из плоских слоев с различными характеристиками, то есть модели слоистой среды. В литературе достаточно хорошо описаны методы описания рассеяния плоских монохромных электромагнитных волн на слоистых средах, например, метод инвариантного погружения. В работах [1-10] описывается взаимодействие плоских волн со средами, то есть используются явно или неявно интегральное преобразование Фурье или Лапласа. Но информативность зондирования плоскими волнами очень низка по сравнению с импульсным зондированием, для полевого исследования характеристик монохромными волнами требуется очень много монохроматических источников на большом диапазоне частот. При всем этом, короткий импульс в частотном представлении имеет очень широкий спектр, то есть проникающая способность короткого импульса значительно выше любого монохроматического сигнала. Методов качественного описания распространения короткого импульса от локализованного источника в средах кроме методов прямого численного моделирования [11] в настоящее время не существует. При всех достоинствах методов прямого моделирования, они требуют использования слишком большого количества вычислительных ресурсов [12]. Предлагаемый подход частично описан в ранних работах участников проекта и предполагает полуаналитическое решение – получение расчетных формул для искомых величин в виде обратных интегральных преобразований. Предполагается использование интегрального вейвлет-преобразования [13-14], либо сверточного преобразования Фурье. Модель почвы будет построена с использованием характеристик образцов, измеренных в лабораторных условиях с помощью векторного анализатора цепей, а результаты расчетов сравнены с измерениями параметров реальных почв с различными характеристиками, составляющими слоистую структуру. 1. Комаров С. А., Щербинин В. В., Клочков А. В. Импульсная диагностика плоскослоистой среды невыступающим волноводным излучателем // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (18-23 июня, 2001, г. Таганрог, Россия). - Сс.249-251. 2. Комаров С. А., Баранчугов Ю. А., Зацепин П. М. Возбуждение плоского импедансного волновода // Известия АГУ. - 2006. - №1. - сс.121-125. 3. Baranchugov Yu. A., Komarov S. A., Zatsepin P. M. Scattering from a rectangular pit in impedance screen // 11th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET’06) Proceedings (June 26-29, 2006, Kharkiv, Ukraine). - 2006. - Pp.504-506. 4. Комаров С. А., Баранчугов Ю. А., Зацепин П. М. Дифракция плоской волны на углублении в импедансном экране // Изв. вузов. Физика. - 2006. - №9. Приложение. - Сс.40-43. 5. Weston V. Pulse return from a sphere /// IRE Transactions on antennas and propagation. – 1959. – vol. 7. – No.5. – pp. 43-51. 6. Hillion P. Diffraction of a radar pulse at a perfectly conducting half-plane // IEEE Transacions on antennas and propagation. – 1997. – vol. 45. – No.10. – pp. 1559-1560. 7. Уланов П.Н. Распространение импульса в плоском волноводе // Сборник статей региональных научно-практических конференций «Многоядерные процессоры и параллельное программирование» и «Системы обработки сигналов на базе ПЛИС и цифровых сигнальных процессоров». – Издательство алтайского государственного университета, 2011. – с. 35-38. 8. Лерер А.М. Регуляризация в двумерных задачах дифракции коротких электромагнитных импульсов // Радиотехника и электроника. - 1998. - т.43, №8. - Сс.915-920. 9. Лерер А.М. Дифракция коротких электромагнитных импульсов на отверстии в экране // Радиотехника и электроника. - 2000. - т.45, №4. - Сс.410-415. 10. Лерер А.М. Дифракция электромагнитных импульсов на металлической полоске и полосковой решетке // Радиотехника и электроника. - 2001. - т.46, №1. - Сс.33-39. 11. Young J.L., Nelson R.O. A Summary and Systematic Analysis of FDTD Algorithms for Linearly Dispersive Media //IEEE Antennas and propagation Magazine. – 2001. - No. 1. - pp. 61-126. 12. Mittra R. A look at some challenging problems in computational electromagnetic // IEEE Antennas and propagations magazine. – 2006. - v. 46. - No. 5. - pp. 18-32. 13. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // УФН. – 1996. – т.166 – cc. 1145–1170. 14. В.Ф. Кравченко, Д.В. Чуриков. Аналитические вейвлеты Кравченко–Котельникова и Кравченко–Левитана в цифровой обработке сверхширокополосных сигналов // Успехи современной радиоэлектроники. - 2007. - №8. 15. The inverse source problem for wavelet fields / A.J. Devaney, G. Kaiser, E.A. Marengo et al. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - October 2008. - Vol. 56, no. 10. - Pp. 3179-3187.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
Современные эксперименты по дистанционному зондированию предполагают активное применение аппаратуры с импульсным характером зондирующего сигнала (видеоимпульсы и радиоимпульсы). Радиоимпульс – импульсный сигнал с частотным заполнением, видеоимпульс – без заполнения. Характер сигналов порождает трудности с теоретическим анализом физики распространения таких сигналов, а также с интерпретацией получаемых экспериментальных данных. Исходя из этого, авторами предлагается новый метод, заключающийся в следующем: уравнения задачи записываются для компонент электромагнитного поля во всех областях пространства, полученные решения должны быть сшиты в плоскостях касания рассматриваемых слоев, исходное импульсное поле возбуждается локализованным источником. Для решения поставленной задачи предполагается использование интегрального сверточного преобразования Фурье. На сегодняшний момент для решения таких задач применяется преобразование Фурье в классическом варианте как разложение решения по парциальным плоским волнам. Такой подход не позволяет произвести подробный физический анализ получаемого решения. Предлагаемый подход является усовершенствованием классического подхода. В другом варианте предполагается использование интегрального вейвлет-преобразования для решения нестационарных волновых уравнений. Вейвлет-анализ в современной литературе рассматривается в форме дискретного и непрерывного вейвлет-преобразований. В данном проекте впервые предлагается применить непрерывное вейвлет-преобразование к решению такой задачи электродинамики, как изучение рассеяния от локализованного источника на слоистой структуре, то есть модели почвенного покрова Алтайского края. Решение производится через получение аналитического решения для фазового пространства, переводимого в искомое решение численными обратными интегральными преобразованиями. Подход является новым и в литературе практически не описан за исключением работ участников проекта. Предлагаемый авторами проекта подход к решению задач электродинамики обладает высокой степенью новизны и в работах других авторов не встречается.


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Исследования по данному проекту приведут к разработке нового численно-аналитического метода решения краевых задач электродинамики. Метод основан на применении адаптивных интегральных преобразований, в частности, интегрального вейвлет-преобразования и сверточного преобразования Фурье. Разрабатываемый метод обеспечит эффективное решение внутренних и внешних задач электродинамики, рассматривающих распространение и рассеяние сверхкоротких электромагнитных импульсов в различных средах. В ходе выполнения проекта метод будет применен к решению задачи рассеяния короткого импульса на слоистой структуре, как модели почвенного покрова. Будет рассмотрена возможность применения создаваемого метода к задачам радиолокации и дистанционного зондирования.


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
В работах авторов заявки накоплен значительный опыт построения численно-аналитических решений импульсных задач электродинамики с использованием различных интегральных преобразований. Кратко можно выделить следующие наиболее важные результаты исследований авторов, которые найдут применение в заявленном проекте: 1) Получено численно-аналитическое решение задачи распространения сверхкороткого импульса в плоском волноводе с использованием преобразования Фурье и Лапласа, а также впервые получено общее формальное решение с применением вейвлет-преобразования. 2) Предложена оригинальная реализация метода моментов – с использованием в качестве базисных функций ортогональных вейвлетов. На основе развитого подхода, впервые - с использованием в качестве базисной функции вейвлета Хаара, - получено общее решение задачи рассеяния короткого электромагнитного импульса на щели в импедансном экране. 3) Впервые вейвлет-преобразование – с использованием гауссовых вейвлетов, - применено к решению задачи рассеяния видеоимпульса на цилиндре. Произведѐн сравнительный физический анализ найденного численного решения с описанными в литературе результатами других авторов. 4) Для задачи рассеяния видеоимпульса на полуплоскости впервые найдено численно-аналитическое решение с использованием непрерывного вейвлет-преобразования по вейвлетам Гаусса. 5) Получено оригинальное численно-аналитическое решение задачи рассеяния электромагнитного импульса на идеально проводящей ленте в диэлектрическом слое методом моментов с использованием преобразования Фурье.


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Имеются патенты


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
1. Разработать параллельные алгоритмы и вычислительные библиотеки для выполнения численных расчетов задачи рассеяния импульса на двухслойной структуре. 2. Получить численное решение задачи рассеяния импульса, излученного локализованным источником, на двухслойной структуре – модели почвенного покрова Алтайского края со слоем песка под почвой – методом вейвлет-преобразования и сверточного преобразования Фурье, сравнить результаты с результатами, полученными с использованием преобразования Фурье, с точки зрения достоверности результатов и вычислительной эффективности, а также результатами прямого численного моделирования.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
-


Срок реализации Проекта (месяцев)
24


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
750


Ключевые слова

Алгоритмы и сложность, Геология, инженерная геология, геотехника, Математика, статистика, Математическое моделирование, Науки о Земле, Океанография, Оптика, Тектоника, сейсмология, Физика


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-