УСТРОЙСТВО ПОДПОВЕРХНОСТНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к георадарам, и может быть использовано при зондировании земляного полотна и для обследования подземных сооружений, тоннелей и отдельных предметов, изготовленных из различных материалов.

Известно устройство для определения подповерхностной структуры слоистых земных покровов, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, генератор видеоимпульсов, переключатель прием-передача, линию задержки и антенну, а также приемный блок с индикатором, причем выход генератора тактовых импульсов соединен через линию задержки с управляющим входом приемного блока и через делитель частоты с индикатором, а второй выход переключателя прием-передача соединен с входом приемного блока (Авторское свидетельство СССР N 995040, кл. G 01 S 13/02, 1983).

Недостатком известного устройства является то, что оно имеет недостаточный диапазон регистрируемых толщин при малой точности измерения.

Известен радиолокационный измеритель толщины ледяного покрова, который содержит передающее устройство, включающее СВЧ-генератор частотно-модулированных сигналов, генератор пилообразного напряжения и передающую антенну, и приемное устройство, включающее приемную антенну, детектор, многоканальный фильтр, схему переключения каналов, измеритель частоты, многоканальный интегратор и регистратор (Авторское свидетельство СССР N 1240211, кл. G 01 S 13/95, 1990).

Недостатком известного устройства является то, что оно имеет недостаточную точность измерения и не позволяет проводить исследования на большие глубины.

Известен метеорологический радар с непрерывным сигналом, который содержит последовательно соединенные модулятор, генератор высокой частоты и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, усилитель высокой частоты и смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора высокой частоты. Выход смесителя через гребенчатый режекторный фильтр подключен к формирователю импульсов и анализатору спектра (Авторское свидетельство СССР N 1751708, кл. G 01 S 13/00, 1992).

Недостатком известного устройства является то, что оно имеет недостаточную точность измерения и не позволяет проводить исследования на большие глубины, имеет недостаточную разрешающую способность.

Известно устройство подповерхностного радиолокационного зондирования, содержащее последовательно соединенные модулятор, генератор частотно-модулированного сигнала, ответвитель, предварительный усилитель, блок задержки, усилитель мощности и передающую антенну, смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом ответвителя, усилитель сигналов дальномерных частот, аналого-цифровой преобразователь, выходы которого соединены с первыми входами персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ), обеспечивающей формирование кодов управления и вычисление по полученным данным геофизических параметров исследуемого подповерхностного слоя, второй вход которой соединен с выходом датчика местоположения, первые и вторые выходы ПЭВМ соединены соответственно с первыми входами управления усилителя сигналов дальномерных частот и с входами блока отображения и выдачи информации, первую и вторую приемные антенны, пространственно разнесенные между собой и подключенные к первому и второму входам высокочастотного переключателя, вход управления которого соединен с третьим выходом ПЭВМ, выход высокочастотного переключателя через последовательно соединенные смеситель и узкополосный фильтр соединен с входом усилителя сигналов дальномерных частот (Патент РФ N 2100825, кл. G 01 S 13/95, 1997).

Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования по патенту N 2100825 по общности решаемых задач и функционально-структурной схеме наиболее близко к изобретению и выбрано в качестве прототипа.

Однако известное устройство имеет недостаточную разрешающую способность и глубину зондирования.

Кроме того, устройство имеет малую чувствительность, что не позволяет производить обследования отдельных предметов, изготовленных из различных материалов.

Задачей изобретения является создание устройства подповерхностного радиолокационного зондирования, позволяющего проводить зондирование на большие глубины с высокой разрешающей способностью и чувствительностью. Кроме того, устройство должно обеспечить высокую скорость анализа и вычисления геофизических параметров исследуемого подповерхностного слоя и статистическую обработку геофизической информации.

Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство подповерхностного радиолокационного зондирования, содержащее последовательно соединенные генератор частотно-модулированного сигнала, первый ответвитель, предварительный усилитель, первый блок задержки и усилитель мощности, смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом первого ответвителя, усилитель сигналов дальномерных частот, аналого-цифровой преобразователь, выходы которого соединены с первыми входами персональной электронно- вычислительной машины (ПЭВМ), обеспечивающей формирование кодов управления и вычисление по полученным данным геофизических параметров исследуемого подповерхностного слоя, второй вход которой соединен с выходом датчика местоположения, первые и вторые выходы ПЭВМ соединены соответственно с первыми входами управления усилителя сигналов дальномерных частот и с входами блока отображения и выдачи информации, передающую антенну, первую и вторую приемные антенны, пространственно разнесенные между собой и подключенные к первому и второму входам первого высокочастотного переключателя, вход управления которого соединен с третьим выходом ПЭВМ, введены последовательно соединенные второй ответвитель, второй блок задержки, аттенюатор и второй высокочастотный переключатель, фильтр высоких частот, режекторный фильтр и цифроаналоговый преобразователь, причем передающая антенна подключена к первому выходу второго ответвителя, вход которого соединен с выходом усилителя мощности, выход первого высокочастотного переключателя соединен с вторым входом второго высокочастотного переключателя, вход управления которого соединен с четвертым выходом ПЭВМ, выход второго высокочастотного переключателя через последовательно соединенные смеситель, фильтр высоких частот и режекторный фильтр соединен с информационным входом усилителя сигналов дальномерных частот, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, пятые выходы ПЭВМ соединены с входами цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом генератора частотно-модулированного сигнала и с вторым входом управления усилителя сигналов дальномерных частот.

Генератор частотно-модулированного сигнала выполнен с возможностью формирования линейно частотно-модулированного сигнала.

Усилитель сигналов дальномерных частот содержит последовтельно соединенные первый резонансный усилитель, второй резонансный усилитель и эмиттерный повторитель, первый и второй дешифраторы, выходы которых соединены с входами управления соответственно первого и второго блока транзисторных ключей, вторые входы которых через соответствующие первый и второй блоки резисторов подключены к шине нулевого потенциала, объединенный выход первого блока транзисторных ключей соединен с первым входом первого сумматора напряжения, объединенный выход второго блока транзисторных ключей соединен с первым входом второго сумматора напряжения, выходы первого и второго сумматоров напряжения соединены соответственно с вторыми входами первого и второго резонансных усилителей, вход первого из которых является входом информационного сигнала, вторые входы первого и второго сумматоров напряжения объединены между собой и являются входом сигналов управления, входы первого и второго дешифраторов являются входами параллельного кода управления усилением, выход эмиттерного повторителя является выходом усилителя.

Датчик местоположения содержит навигационный приемник определения координат местности подповерхностного зондирования, подключенный через антенну к навигационным космическим системам ГЛОНАС и GPS.

Первая и вторая приемные антенны выполнены с возможностью приема сигналов с ортогональным направлением поляризации при линейной поляризации зондирующего сигнала и с возможностью приема сигналов с противоположным направлением вращения при эллиптической поляризации зондирующего сигнала.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана функционально-структурная схема устройства подповерхностного радиолокационного зондирования;
на фиг. 2 - блок-схема усилителя сигналов дальномерных частот;
на фиг. 3 - графическая иллюстрация определения скорости распространения радиоволн в среде;
на фиг. 4 - спектр сигнала дальномерных частот;
на фиг. 5 - закон модуляции частоты генератора линейно частотно-модулированного сигнала.

Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования (фиг. 1) содержит генератор 1 частотно-модулированного сигнала, в частности генератор линейно частотно-модулированного сигнала, первый ответвитель 2, предварительный усилитель 3, первый блок 4 задержки, усилитель 5 мощности, смеситель 6, усилитель 7 сигналов дальномерных частот, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ) 9, датчик 10 местоположения, блок 11 отображения и выдачи информации, передающую антенну 12, приемные антенны 13 и 14, первый высокочастотный переключатель 15, второй ответвитель 16, второй блок задержки 17, аттенюатор 18, второй высокочастотный переключатель 19, фильтр 20 высоких частот, режекторный фильтр 21 и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 22.

В устройстве подповерхностного радиолокационного зондирования (фиг. 1) выход генератора 1 через последовательно соединенные первый ответвитель 2, предварительный усилитель 3, первый блок 4 задержки, усилитель 5 мощности, и второй ответвитель 16 подключен к передающей антенне 12.

Второй выход второго ответвителя 16 через последовательно соединенные второй блок 17 задержки и аттенюатор 18 соединен с первым входом второго высокочастотного переключателя 19.

Первая и вторая приемные антенны 13 и 14 пространственно разнесены между собой и через последовательно соединенные первый высокочастотный переключатель 15, второй высокочастотный переключатель 19, смеситель 6, второй вход которого соединен с выходом первого ответвителя 2, фильтр 20 высоких частот через режекторный фильтр 21 соединен с информационным входом усилителя 7 сигналов дальномерных частот, выход которого соединен с входом АЦП 8, выходы которого соединены с первыми входами ПЭВМ 9, второй вход которой соединен с выходом датчика 10 местоположения. Первые, вторые и пятые выходы ПЭВМ 9 соединены соответственно с первыми входами управления усилителя 7 сигналов дальномерных частот, входами блока 11 отображения и выдачи информации и входами ЦАП 22, выход которого соединен с входом генератора 1 и вторым входом управления усилителя 7 сигналов дальномерных частот.

Третий и четвертый выходы ПЭВМ 9 соединены соответственно с входами управления первого и второго высокочастотных переключателей 15 и 19.

Усилитель 7 сигналов дальномерных частот (фиг. 2) содержит два резонансных усилителя 23 и 24, эмиттерный повторитель 25, первый и второй дешифраторы 26 и 27, первый и второй блоки 28 и 29 транзисторных ключей, первый и второй блоки 30 и 31 резисторов, первый и второй сумматоры 32 и 33 напряжения. В усилителе 7 сигналов дальномерных частот последовательно соединены первый и второй резонансные усилители 23 и 24 и эмиттерный повторитель 25. Выходы первого и второго дешифраторов 26 и 27 соединены с входами управления соответственно первого и второго блоков 28 и 29 транзисторных ключей, вторые входы которых через соответствующие первый и второй блоки 30 и 31 резисторов подключены к шине потенциалов. Объединенный выход первого блока 28 транзисторных ключей соединен с первым входом первого сумматора 32 напряжения, объединенный выход второго блока 29 транзисторных ключей соединен с первым входом второго сумматора 33 напряжения, выходы сумматоров 32 и 33 напряжения соединены соответственно с вторыми входами первого и второго резонансных усилителей 23 и 24, вход первого из которых является входом информационного сигнала. Вторые входы первого и второго сумматоров 32 и 33 напряжения объединены между собой и являются вторым входом управления усилителя, входы первого и второго дешифраторов 26 и 27 являются первыми входами управления усилителя. Выход эмиттерного повторителя 25 является выходом усилителя.

На фиг. 3 обозначены: 12 - передающая антенна, 13 и 14 первая и вторая приемные антенны, L1 - расстояние между передающей антенной 12 и первой приемной антенной 13, L2 - расстояние между передающей антенной 12 и второй приемной антенной 14, h- глубина зондирования.

На фиг. 4 обозначены: 1 - спектр сигнала, отраженного от поверхности земли, 2 - АЧХ фильтра высоких частот, 3 - АЧХ режекторного фильтра, 4 - регулярная помеха.

На фиг. 5 обозначены 1 - модулирующее напряжение на выходе ЦАП, 2 - требуемый закон изменения частоты, 3 - реальная модуляционная характеристика генератора 1 линейно частотно-модулированного сигнала.

Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования работает следующим образом.

Работа устройства основана на излучении передатчиком сверхширокополосных сигналов с внутриимпульсной частотной модуляцией и приеме приемной антенной сигналов, отраженных от границ раздела слоев, зондируемой среды, имеющих различные физико-механические и электрические характеристики, такие как диэлектрическая проницаемость и удельное затухание электромагнитных волн. По времени запаздывания (t) отраженных импульсов и скорости распространения радиоволн определяется глубина (h) залегания отражающего слоя. Такими границами раздела в зондируемых средах являются границы раздела между породами различного литологического и гранулометрического состава, мерзлыми и талыми грунтами, рыхлыми покровными и коренными породами, а также отдельными предметами, изготовленными из различных материалов.

Сигнал с генератора 1, промодулированный пилообразным напряжением с выхода ЦАП 22, поступает через первый ответвитель 2 в предварительный усилитель 3.

Усиленный сигнал задерживается в блоке 4 задержки на время, равное 50 - 100 нс, для смещения спектров сигналов дальномерных частот в более высокочастотный диапазон с целью исключения влияния помех с частотой модуляции и ее гармоник.

Сигнал после усиления усилителем 5 мощности, излучается передающей антенной 12 и после отражения от цели (зондируемой среды) принимается приемными антеннами 13 и 14, которые разнесены на расстояние, соизмеримое с глубиной зондирования. Так, например, при глубине зондирования 1-2 м, первая и вторая приемные антенны 13 и 14 разнесены на расстояние 0,5 - 1 м, а передающая антенна 12 и первая приемная антенна 13-на расстояние 0 - 5 см.

Две приемные антенны 13 и 14 разнесены между собой для определения скорости распространения радиоволн в зондируемой среде, так как скорость распространения радиоволн в среде при подповерхностном радиолокационном зондировании заранее неизвестна, зависит от конкретного состава среды и определяется по формуле

где L₁ - расстояние между передающей антенной 12 и первой приемной антенной 13, L₂ - расстояние между передающей антенной 12 и второй приемной антенной 14 (фиг. 3), τ₁- задержка распространения сигнала от передающей антенны 12 до первой приемной антенны 13, τ₂-задержка распространения сигнала от передающей антенны 12 до второй приемной антенны 14.

Первый высокочастотный переключатель 15, управляемый от ПЭВМ 9, пропускает на второй вход второго высокочастотного переключателя 19 сигнал от одной из приемных антенн 13 или 14. На первый вход второго высокочастотного переключателя 19 поступает зондирующий сигнал от второго ответвителя 16, который проходит через второй блок 17 задержки и аттенюатор 18 для придания ему необходимой временной задержки и требуемого затухания. Сигнал с выхода второго высокочастотного переключателя 19, управляемого от ПЭВМ 9, поступает на второй вход смесителя 6, где смешивается с опорным сигналом, который поступает на первый вход смесителя 6 через первый ответвитель 2 с выхода генератора 1.

Сигналы дальномерных частот поступают на фильтр высоких частот 20, в котором обеспечивается подавление наиболее мощного мешающего сигнала - сигнала отражения от земной поверхности, который занимает самую низкочастотную область спектра дальномерного сигнала. Далее сигнал подается на режекторный фильтр 21, где дополнительно осуществляется подавление регулярных помеховых составляющих спектра. После чего сигналы дальномерных частот усиливаются в усилителе 7 сигналов дальномерных частот, на входы управления которого поступает параллельный код управления усилением от ПЭВМ 9.

На вход управления усилителя 7 сигналов дальномерных частот поступает пилообразный сигнал с выхода ЦАП, который изменяет коэффициент усиления пропорционально изменению частоты зондирующего сигнала. Усиленные сигналы, после преобразования в цифровой вид в АЦП 8, поступают на первые входы ПЭВМ 9, на вход которой поступают сигналы с датчика 10 местоположения. Датчик 10 местоположения позволяет точно определить координаты местности подповерхностного зондирования через навигационный приемник космических систем ГЛОНАС и GPS.

ПЭВМ 9 производит анализ информации, вычисляет по полученным данным глубину h залегания зондируемого слоя и формирует код управления усилением для усилителя 7 сигналов дальномерных частот и код управления амплитудой сигнала на выходе ЦАП 22. При этом ЦАП 22 формирует выходное напряжение, по форме близкое к пилообразному, характерной особенностью которого является то, что в него вводятся предискажения для компенсации нелинейности модуляционной характеристики генератора 1, если таковая имеется.

Результаты вычислений передаются от ПЭВМ 9 в блок 11 отображения и выдачи информации.

Для получения дополнительной геофизической информации об отражающих объектах первая и вторая приемные антенны 13 и 14 выполнены с возможностью приема сигналов с ортогональным направлением поляризации при линейной поляризации зондирующего сигнала или с возможностью приема сигналов с противоположным направлением вращения при эллиптической поляризации зондирующего сигнала.

Предлагаемое устройство подповерхностного радиолокационного зондирования позволяет проводить зондирование на большие глубины с высокой разрешающей способностью и чувствительностью при высокой скорости анализа и вычисления геофизических параметров исследуемого подповерхностного слоя. Кроме того, устройство позволяет проводить статистическую обработку геофизической информации.

Широкие возможности устройства при решении инженерно- геологических задач и его относительно невысокая стоимость обеспечивают изобретению большое практическое применение.

Изобретение относится к технике локационного зондирования и может быть использовано для исследования подземных сооружений. Достигаемый технический результат-вычисление геофизических параметров исследуемого подповерхностного слоя при высокой разрешающей способности и чувствительности зондирования. Устройство содержит генератор ЛЧМ сигнала, соединенный через ответвитель, предварительный усилитель, блок задержки, усилитель мощности и выход еще одного ответветвителя к передающей антенне, второй выход которого через блок задержки и аттенюатор соединен с первым входом переключателя. Пространственно разнесенные приемные антенны через переключатели, смеситель, связанный с первым ответвителем, фильтр высоких частот и режекторный фильтр соединены с информационным входом усилителя сигналов дальномерных частот, выход которого соединен с входом АЦП, выходы которого соединены с первыми входами персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ), второй вход которой соединен с датчиком местоположения, а первые, вторые и пятые выходы ПЭВМ соединены с входами управления усилителя сигналов дальномерных частот, входами блока отображения и выдачи информации и входами ЦАП, выход которого соединен с входом генератора ЛЧМ сигнала и входом управления усилителя сигналов дальномерных частот, а третий и четвертый выходы ПЭВМ соединены с входами управления переключателей. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования, содержащее последовательно соединенные генератор частотно-модулированного сигнала, первый ответвитель, предварительный усилитель, первый блок задержки и усилитель мощности, смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом первого ответвителя, усилитель сигналов дальномерных частот, аналого-цифровой преобразователь, выходы которого соединены с первыми входами персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ), обеспечивающей формирование кодов управления и вычисление по полученным данным геофизических параметров исследуемого подповерхностного слоя, второй вход которой соединен с выходом датчика местоположения, первые и вторые выходы ПЭВМ соединены соответственно с первыми входами управления усилителя сигналов дальномерных частот и с входами блока отображения и выдачи информации, передающую антенну, первую и вторую приемные антенны, пространственно разнесенные между собой и подключенные к первому и второму входам первого высокочастотного переключателя, вход управления которого соединен с третьим выходом ПЭВМ, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные второй ответвитель, второй блок задержки, аттенюатор и второй высокочастотный переключатель, фильтр высоких частот, режекторный фильтр и цифроаналоговый преобразователь, причем передающая антенна подключена к первому выходу второго ответвителя, вход которого соединен с выходом усилителя мощности, выход первого высокочастотного переключателя соединен с вторым входом второго высокочастотного переключателя, вход управления которого соединен с четвертым выходом ПЭВМ, выход второго высокочастотного переключателя через последовательно соединенные смеситель, фильтр высоких частот и режекторный фильтр соединен с информационным входом усилителя сигналов дальномерных частот, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, пятые выходы ПЭВМ соединены с входами цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом генератора частотно-модулированного сигнала и с вторым входом управления усилителя сигналов дальномерных частот. 2. Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования по п.1, отличающееся тем, что генератор частотно-модулированного сигнала выполнен с возможностью формирования линейно частотно-модулированного сигнала. 3. Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования по п.1, отличающееся тем, что усилитель сигналов дальномерных частот содержит последовательно соединенные первый резонансный усилитель, второй резонансный усилитель и эмиттерный повторитель, первый и второй дешифраторы, выходы которых соединены с входами управления соответственно первого и второго блоков транзисторных ключей, вторые входы которых через соответствующие первый и второй блоки резисторов подключены к шине потенциалов, объединенный выход первого блока транзисторных ключей соединен с первым входом первого сумматора напряжения, объединенный выход второго блока транзисторных ключей соединен с первым входом второго сумматора напряжения, выходы первого и второго сумматоров напряжения соединены соответственно с вторыми входами первого и второго резонансных усилителей, вход первого из которых является информационным входом усилителя, вторые входы первого и второго сумматоров напряжения объединены между собой и являются вторым входом управления усилителя, входы первого и второго дешифратора являются первыми входами управления усилителя, выход эмиттерного повторителя является выходом усилителя. 4. Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования по п.1, отличающееся тем, что датчик местоположения содержит навигационный приемник определения координат местности подповерхностного зондирования, подключенный через антенну к навигационным космическим системам ГЛОНАС и GPS. 5. Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования по п.1, отличающееся тем, что первая и вторая приемные антенны выполнены с возможностью приема сигналов с ортогональным направлением поляризации при линейной поляризации зондирующего сигнала. 6. Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования по п.1, отличающееся тем, что первая и вторая приемные антенны выполнены с возможностью приема сигналов с противоположным направлением вращения при эллиптической поляризации зондирующего сигнала.