УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к геофизике и предназначено для исследования подповерхностной структуры почвы до глубин в несколько десятков метров для целей геологии, строительства, спелеологии, гидрологии, археологии, коммунального хозяйства и т.д.

Известен целый ряд устройств для радиолокационного подповерхностного зондирования, получивших название георадаров [1 6]
Их отличительной особенностью является использование стробоскопического эффекта для регистрации полной временной формы сигнала, что ведет к необходимости повышать частоту следования зондирующих импульсов до нескольких тысяч в секунду. Для реализации стробоскопического принципа регистрации в георадарах используются формирователи строба, стробоскопические смесители и фильтры нижних частот. Высокая частота повторения и большие энергетические потери, связанные со стробоскопическим эффектом, снижают потенциал георадара при ограниченном уровне потребления энергии от аккумуляторов.

Наиболее близким по техническим параметрам к предлагаемому устройству является "устройство высокочастотной геоэлектроразведки" [4] выбранное в качестве прототипа, содержащее: генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к передающей антенне, в зажимы которой включен разрядник, приемную антенну, соединенную через последовательно включенные управляемый аттеннюатор и усилитель-ограничитель с сигнальным входом стробоскопического смесителя, формирователь стробимпульсов, блок сравнения, генератор быстрого пилообразного напряжения, причем управляющий вход смесителя соединен с выходом генератора тактовых импульсов через последовательно включенные делитель частоты, генератор медленного пилообразного напряжения, схему сравнения и формирователь строб-импульсов. Второй вход блока сравнения соединен с выходом разрядника через генератор быстрого пилообразного напряжения, а управляющий вход управляемого аттенюатора соединен с выходом генератора медленного пилообразного напряжения. Выход стробоскопического смесителя через фильтр нижних частот и трансверсальный фильтр соединен с двухканальным магнитофоном, осциллографическим индикатором и фоторегистратором, который состоит из индикатора с яркостной модуляцией, объектива и механизма движения фотопленки.

Устройство-прототип обладает недостатком, связанным с неоперативностью получения конечной информации. Использование этого устройства предполагает съем данных, запись информации на магнитный или фотоноситель и обработку, после чего возможен анализ геологической структуры подстилающей поверхности. Для просмотра данных должны использоваться дополнительные устройства (диапроектор, компьютер с аналого-цифровым преобразователем). К недостаткам следует отнести также малую мощность передатчика, сложность устройства и связанную с этим большую стоимость при производстве.

Основная идея изобретения связана с уменьшением избыточности отраженного сигнала при его регистрации. Для высокочастотных георадаров (по крайней мере для частот более 50 мГц) применима геометрооптическая теория распространения волновых пакетов, в которой основным параметром является время задержки отраженного сигнала. Поэтому для оперативного анализа нет необходимости записывать форму отраженного сигнала, а достаточно зарегистрировать лишь время превышения им некоторого порога. Это позволяет выводить конечную информацию по всей трассе непосредственно в процессе измерения на двумерный экран с двухуровневой модуляцией яркости или прозрачности.

Двоичное представление сигнала позволяет отказаться от стробоскопического эффекта, а использовать при регистрации быстродействующие компараторы. При необходимости можно просмотреть форму отраженного сигнала, меняя порог срабатывания компаратора, но при этом необходимо излучить ряд зондирующих импульсов, число которых равно числу уровней дискретизации амплитуды. Здесь индикатор может использоваться лишь в роли осциллографа.

Небольшой объем двоичной информации позволяет запомнить состояние экрана в блоке памяти с автономным питанием и при необходимости переписать информацию через стандартный последовательный порт в память компьютера.

Отказ от стробоскопического эффекта позволяет также снизить частоту повторения зондирующих импульсов до единиц в секунду и для накопления энергии использовать в передатчике накопительный конденсатор, который на несколько порядков повышает мощность передатчика. Это, в свою очередь, имеет следствием увеличение глубины зондирования.

Цель изобретения обеспечение оперативности представления радиолокационной информации непосредственно в процессе измерений, повышение мощности передатчика, упрощение схемы устройства и снижение стоимости его производства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство георадара, содержащее передающую и приемную антенны, разрядник, аттенюатор, усилитель-ограничитель и блок сравнения дополнительно введены: высоковольтный источник питания, накопительный конденсатор, блок синхронизации, блок памяти, блок управления, двумерный индикатор и пульт управления.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности содержит передатчик, состоящий из последовательно соединенных высоковольтного источника питания 1, накопительного конденсатора 2, разрядника 3 и передающей антенны 4, а так же приемник, состоящий из последовательно соединенных приемной антенны 5, аттенюатора 6, усилителя-ограничителя 7, блока сравнения 8, блока памяти 9 и двумерного индикатора 10, при этом вход блока синхронизации 11 соединен с выходом усилителя-ограничителя 7, а выход со вторым входом блока сравнения, первый выход блока управления 12 со вторым входом блока памяти 9, а второй выход блока управления 12 с третьим входом блока сравнения 8, а вход блока управления 12 с первым выходом пульта управления 13, второй выход которого подключен ко второму блока синхронизации 11.

Устройство работает следующим образом.

При включении высоковольтного источника питания 1 заряжается накопительный конденсатор 2. При достижении напряжения на конденсаторе 2, соответствующего напряжению самопробоя разрядника, конденсатор подключается через разрядник 3 к передающей антенне 4, формируя мощный зондирующий видеоимпульс. Зондирующий импульс через воздушный промежуток между передающей 4 и приемной антенной 5, и пришедшие из-под земли сигналы принимаются приемной антенной 5, при необходимости ослабляются аттенюатором 6, усиливаются и ограничиваются усилителем-ограничителем 7.

При превышении уровня сигнала на выходе усилителя-ограничителя 7 некоторого порога, выбранного исходя из мощности зондирующего импульса, запускается тактовый генератор блока синхронизации 11, привязанный по фазе к моменту превышения порога. Тактовые импульсы с выхода блока синхронизации 11 поступают на второй вход блока сравнения 8, где происходит сравнение сигнала, пришедшего на первый вход, с другим порогом, который устанавливается либо вручную, либо блоком управления 12. Превышение порога регистрируется в блоке памяти 9 как двоичная "1", отсутствие превышения как двоичный "0". Блок управления 12 осуществляет управление выводом информации из блока памяти 9 на двумерный индикатор 10, при необходимости стирание "строки" (единичного измерения), "кадра" (всей серии измерений), или перепись кадра по последовательному порту в память компьютера.

Описанный выше единичный цикл измерения может повторяться в соответствии с режимами, выбранными на пульте управления 13.

Возможны три режима работы устройства.

1. Ручной. Единичное измерение по нажатию кнопки при двоичном представлении информации.

2. Автоматический. Многократные измерения с выбранным темпом зондирования при двоичном представлении информации. Режим обеспечивает измерения и индикацию в процессе непрерывного движения вдоль профиля.

3. Полной регистрации. Регистрируется полная временная форма сигнала для одного пространственного положения устройства. Двумерный индикатор используется в режиме осциллографа.

Конечной информацией в первых двух режимах является радиолокационное изображение отражающего объекта в виде инверсных относительно фона точек на двумерном индикаторе в координатах "время задержки расстояние".

В третьем режиме конечная информация может быть получена на экране компьютера после обработки.

Для реализации устройства с рабочим диапазоном частот 70 200 мГц и частотой дискретизации 500 мГц могут быть использованы следующие элементы:
1. Высоковольтный источник питания. Транзисторы КП802, трансформатор ТВС-90ПЦ8.

2. Накопительный конденсатор КВИ-3.

3. Разрядник РУ-62.

4, 5. Антенны диполь типа "бабочка".

6. Аттенюатор резистивный.

7. Усилитель-ограничитель микросхемы К174ПС4, МАХ435.

8. Схема сравнения микросхемы К572ПА1А, МАХ9687.

9. Блок памяти микросхемы К1500ИР141, К573РУ10.

10. Двумерный индикатор жидкокристаллический индикатор 128х64 элемента.

11. Блок синхронизации микросхемы МАХ9685, К1500ЛП112, К1500ИЕ136.

12. Блок управления микросхема КР1830ВЕ31.

Схемная реализация устройства позволяет проводить как зондирование, т.е. серию измерений при различных расстояниях между приемной и передающей антенной, так и профилирование, т.е. серию измерений при движении вдоль профиля с фиксированным расстоянием между антеннами.

Существует целый класс задач, для которых двоичное представление информации при профилировании вполне достаточно. Это, например, локализация положения подземных коммуникаций или других неоднородностей. Такие задачи решаются сразу же в процессе измерений.

Двоичное представление сигнала достаточно и для решения более сложных задач, связанных с определением диэлектрической проницаемости слоистой среды и глубины залегания слоев. Здесь необходимо проводить профилирование совместно с зондированием в некоторых точках трассы. Эти задачи так же могут решаться на месте без использования компьютера и компьютерной обработки.

Для других задач, таких, например, как определение тонкой структуры подземных неоднородностей необходимо использовать режим записи полной волновой формы и компьютерную обработку.

Относительная простота устройства и связанная с этим относительно низкая стоимость по сравнению с аналогами, а так же возможность оперативно решать задачи без использования компьютера или какого либо другого устройства делают его перспективным для массового применения.

Источники информации:
1. Патент США N 3806795, US Cl 324/6, Int Cl G 01 V 3/127 опубликовано в 1974.

2. Патент США N 4698634, US Cl 324/22, Int Cl G 01 S 7/227 опубликовано в 1978.

3. Патент США N 4905008, US Cl 324/72, Int Cd G 01 S 13/08, опубликовано в 1990.

4. Авторское свидетельство СССР N 1078385б Int Cl G 01 V 3/12, опубликовано в 1984.

5. Авторское свидетельство СССР N 1353105б Int Cl G 01 V 3/12, опубликовано 1987.

6. Авторское свидетельство СССР N 1562883, Int Cl G 01 V 3/12, опубликовано в 1990.0

Использование: исследование подповерхностной структуры почвы до глубины в несколько десятков метров. Сущность изобретения: содержит 1 передатчик, выполненный в виде разрядника 3, 1 передающей антенны 4 1 источника питания 1, 1 накопительного конденсатора 2; 1 приемник, выполненный в виде 1 приемной антенны 5, 1 аттенюатора 6, 1 усилителя-ограничителя 7, 1 блока сравнения 8, 1 индикатора 10, 1 блока синхронизации 11, 1 блока памяти 9, 1 блока управления 12, 1 пульта управления 13, что позволяет более оперативно получить радиолокационную информацию в процессе измерения при одновременном повышении мощности передатчика. 1 ил.

Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее передатчик, выполненный в виде последовательно соединенных разрядника и передающей антенны, приемник, выполненный в виде приемной антенны, аттенюатора, усилителя-ограничителя, блока сравнения и индикатора, отличающееся тем, что дополнительно введены в передатчик последовательно соединенные источник питания и накопительный конденсатор, в приемник блок синхронизации, блок памяти, блок управления, пульт управления, при этом выход накопительного конденсатора соединен с входом разрядника, выход приемной антенны через последовательно соединенные аттенюатор, усилитель-ограничитель соединен с информационных входом блока сравнения и с первым входом блока синхронизации, второй вход которого соединен с первым выходом пульта управления, второй вход которого соединен с выходом блока управления, первый выход которого соединен с входом порогового сигнала блока сравнения, вход тактовых сигналов которого соединен с выходом блока синхронизации, выход блока сравнения соединен с информационным входом блока памяти, вход вывода информации которого соединен с вторым выходом блока управления, выход блока памяти соединен с входом индикатора, при этом индикатор выполнен двумерным.