УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ПОЧВЫ Российский патент 2000 года по МПК G01V3/16 G01V3/17 

Предлагаемое устройство относится к геофизике и может быть использовано при решении задач электроразведки с помощью радиолокаторов бокового обзора, установленных на борту летательных аппаратов.

Известны устройства зондирования подповерхностных слоев почвы (авт. свид. NN 321.783, 344.391, 385.251, 396.652, 397.877, 455.307, 708.277, 746.370, 817.640, 1.092.453, 1.100.602, 1.151.900, 1.247.805, 1.300.396, 1.317.378, 1.420.574, 1.469.488, 1.553.933, 1.594.477, 1.684.770, 1.721.566; Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. М. 1971 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство дистанционного зондирования подповерхностных слоев почвы" (авт. свид. N 1.684.770, G 01 V 3 (16,1989), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство использует обычную модель радиолокационного сигнала и метод его обработки, основанные на интегральном преобразовании Фурье. Однако такой метод усредняет и сглаживает отраженный сигнал в окрестностях точек разрывов, которые несут информацию о начале и конце отклика от цели, позволяют раздельное наблюдение откликов от различных неоднородностей, находящихся в подповерхностных слоях почвы, и т.д. Интервал в районе точки разрыва для сверхширокополосного (сверхкороткого) радиолокационного сигнала сравним с длительностью самого сигнала, что приводит к заметным ошибкам и к ухудшению разрешающей способности по глубине.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности по глубине путем обработки отраженных сверхширокополосных сигналов в фазовой плоскости методом обобщенной частоты.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно включенные синхронизатор, передатчик, антенный коммутатор и антенную систему, вход управления которой через блок сканирования диаграммой направленности соединен с вторым выходом синхронизатора, последовательно подключенные к антенному коммутатору блок высокой частоты, линию задержки, усилитель-ограничитель, первый детектор, триггер, второй вход которого через последовательно включенные аттенюатор и второй детектор соединен с опорным выходом передатчика, усилитель промежуточной частоты, второй вход которого соединен с выходом блока высокой частоты, третий детектор и индикаторный блок, второй и третий выходы синхронизации которого соединены с первым и вторым выходами синхронизатора соответственно, введены два дифференцирующих блока, три квадратора, нормирующий блок, два перемножителя, два сумматора, два блока извлечения квадратного корня и делитель напряжений, причем между выходом усилителя промежуточной частоты и входом третьего детектора последовательно включены первый дифференцирующий блок, второй квадратор, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом нормирующего блока, первый сумматор, второй вход которого через первый квадратор соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, первый блок извлечения квадратного корня и делитель напряжений, к выходу первого дифференцирующего блока последовательно подключены второй дифференцирующий блок, третий квадратор, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом нормирующего блока, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго квадратора, и второй блок извлечения квадратного корня, выход которого соединен с вторым входом делителя напряжений.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1, структурная схема индикаторного блока этого устройства изображена на фиг. 2, временные диаграммы, поясняющие работу устройства, показаны на фиг. 3-5.

Устройство дистанционного зондирования подповерхностных слоев почвы содержит антенную систему 1, блок 2 сканирования диаграммой направленности, антенный коммутатор 3, передатчик 4, блок 5 высокой частоты, линию 6 задержки, усилитель-ограничитель 7, первый детектор 8, триггер 9, аттенюатор 10, второй детектор 11, усилитель 12 промежуточной частоты, третий детектор 13, индикаторный блок 14, синхронизатор 15, генератор 16 быстрого пилообразного напряжения, коммутатор 17, генератор 18 строб-импульсов, стробоскопический смеситель 19, расширитель 20 импульсов, фильтр 21 нижних частот, усилитель 22 модулятора яркости, генератор 23 медленного пилообразного напряжения, делитель 24 частоты, электронно-лучевой индикатор 25, генератор 26 горизонтальной развертки, первый 27 и второй 28 дифференцирующие блоки, первый 29, второй 30 и третий 31 квадраторы, нормирующий блок 32, первый 33 и второй 34 перемножители, первый 35 и второй 36 сумматоры, первый 37 и второй 38 блоки извлечения квадратного корня и делитель 39 напряжений. Причем к первому выходу синхронизатора 15 последовательно подключены передатчик 4, антенный коммутатор 3 и антенная система 1, второй вход которой через блок 2 сканирования диаграммой направленности соединен с вторым выходом синхронизатора 15. К выходу антенного коммутатора 3 последовательно подключены блок 5 высокой частоты, линия 6 задержки, усилитель-ограничитель 7, детектор 8, триггер 9, второй блок которого через последовательно включенные аттенюатор 10 и детектор 11 соединены с вторым выходом передатчика 4, усилитель 12, второй вход которого соединен с выходом блока 5 высокой частоты, дифференцирующий блок 27, квадратор 30, перемножитель 33, второй вход которого соединен с выходом нормирующего блока 32, сумматор 35, второй вход которого через квадратор 29 соединен с выходом усилителя 12 промежуточной частоты, блок 37 извлечения квадратного корня, делитель 39 напряжений, детектор 13 и индикаторный блок 14, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами синхронизатора 15 соответственно.

Обработка отраженного сверхширокополосного сигнала в предлагаемом устройстве осуществляется в фазовой плоскости, которая трактуется как обобщение комплексной плоскости. При этом модель на фазовой плоскости использует двухразмерное представление сигнала подобно условной модели комплексного сигнала с преобразованием Гильберта на мнимой оси.

Создание двухразмерной модели сигнала на комплексной плоскости требует создания второй компоненты S(t), связанной с реальным сигналом s(t) линейным, непрерывным, однородным оператором:
S(t)=L{s(t)}.

Эти условия выполняются преобразованием Гильберта, используемым в комплексной модели сигнала, которая не подходит для описания разрывов сверхширокополосных сигналов.

Представим модель сигнала s(t) на фазовой плоскости. Для этого присвоим роль второй компоненты производной самого сигнала по времени, нормированной к центральной частоте ω_o

С полярными координатами {M,θ} на плоскости {S;S1} сверхширокополосный сигнал может быть представлен следующим образом
s(t) = M(t)•sinθ(t).
Эта модель позволяет описывать характеристики сигнала, представленного функцией s(t) в любой точке t₁. Представление сигнала на фазовой плоскости позволяет определить обобщенные огибающую M(t), фазу θ(t) и частоту Ω(t)



Выражение для Ω(t), полученное для выбранной центральной частоты ω₀, определяется только формой реального сигнала s(t) и уникально представляет форму сверхширокополосного сигнала. Представление сверхширокополосного сигнала на фазовой плоскости носит обобщенный характер, так как позволяет в некоторых случаях снять условные узкополосные ограничения.

Устройство работает следующим образом.

Зондирующий импульс передатчика 4 через антенный коммутатор 3 поступает в антенную систему 1. Сканирование антенной системы 1 в боковой угломестной плоскости осуществляется боком 2 сканирования. Диаграмма направленности антенной системы 1 должна быть узкой как в направлении движения летательного аппарата, так и в направлении бокового обзора в угломестной плоскости. Такая диаграмма может быть получена путем применения антенной решетки, состоящей из набора антенн, расположенных параллельно одна под другой по вертикали или параллельно в горизонтальной плоскости (фазовые центры расположены на горизонтали перпендикулярно линии полета). Сканирование диаграммой направленности может быть осуществлено путем управления фазовращателями, подключенными к выходу каждой из антенн решетки.

Часть энергии зондирующего импульса с опорного выхода передатчика 4 через аттенюатор 10 и детектор 11 видеоимпульсов поступает на установочный вход триггера 9, устанавливающий триггер в нулевое состояние, при котором выходное отрицательное напряжение закрывает усилитель 12 промежуточной частоты, стробируемые каскады которого могут быть выполнены, например, на двухзатворных полевых транзисторах.

Отраженный сигнал содержит информацию о границе раздела сред и о подповерхностных слоях, причем большую амплитуду будет иметь импульс, отраженный от границы раздела сред. Отраженные импульсы принимаются антенной системой 1 и через антенный коммутатор 3 поступают в блок 5 высокой частоты, где преобразуются в сигнал промежуточной частоты, предварительно фильтруются и усиливаются на этой частоте. Далее эти сигналы поступают на линию 6 задержки, которая необходима для наиболее полного управления влиянием отражений от границы раздела сред на работу усилителя 12 промежуточной среды и последующих каскадов. Пусть, например, необходимо устранить влияние сигналов, отраженных от слоев с глубиной залегания порядка 0,5-1 м. Время задержки в этом случае должно быть равно 1,6-3,3 нс. При наличии неровностей поверхности большего размера это время может быть увеличено до требуемой величины. Задержка на такое время может быть обеспечена отрезком коаксиальной линии.

Сигнал с выхода линии 6 задержки поступает на усилитель-ограничитель 7, а затем на детектор 8 видеоимпульсов. Выходной импульс детектора 8 поступает на второй вход триггера 9, устанавливая его в единичное состояние, при котором на выходе триггера 9 формируется положительное напряжение, в результате чего открываются стробируемые каскады усилителя 12 промежуточной частоты.

При этом на выходе дифференцирующих блоков 27 и 28 образуются напряжения

где u_пр(t) - напряжение на выходе усилителя промежуточной частоты.

Напряжение u_пр(t), u₁(t) и u₂(t) с выходов усилителя 12 промежуточной частоты, дифференцирующих блоков 27 и 28 поступают соответственно на входы квадраторов 29-31. На выходе последних образуются соответствующие напряжения:


Напряжения u₄(t) и u₅(t) с выходов квадраторов 30 и 31 поступают на первые входы перемножителей 33 и 34, на вторые входы которых подается постоянная величина 1/ω2пр

с выхода нормирующего блока 32. На выходах перемножителей 33 и 34 образуются соответствующие напряжения:


которые поступают на первые входы сумматоров 35 и 36, на вторые входы которых подаются напряжения u₃(t) и u₄(t) с выходов квадраторов 29 и 30 соответственно. На выходах сумматоров 35 и 36 образуются соответствующие напряжения:


Эти напряжения поступают на входы блоков 37 и 38 извлечения квадратного корня, на выходах которых образуются напряжения:


Данные напряжения поступают на два входа делителя 39 напряжений, на выходе которого образуется обобщенная частота

которая уникально представляет форму сверхширокополосного отраженного радиосигнала и через детектор 13 поступает на индикаторный блок 14.

Работа устройства синхронизирована синхронизатором 15, который подключен к выходам синхронизации передатчика 4, блока 2 сканирования и индикаторного блока 14. Синхронизатор 15 вырабатывает импульс запуска передатчика 4, импульс запуска блоков разверток индикаторного блока 14, а также синхронизации блока 2 сканирования.

Использование сверхширокополосных сигналов, т. е. сигналов малой длительности, определяет ряд специфических особенностей их регистрации, поскольку требуется применение высокоскоростных электронных осциллографов, характеризующихся обычно недостаточными чувствительностью и яркостью изображения. Вместе с тем, периодичность следования отраженных сигналов позволяет использовать стробоскопический метод обработки сигналов.

Сущность метода заключается в том, что осуществляется регистрация не самого исследуемого сигнала, а его отдельных выборок, каждая из которых формируется в различные периоды повторения данного сигнала.

Периодическая последовательность отраженных сигналов с выхода детектора 13 поступает на вход стробоскопического смесителя 19 блока 14, куда одновременно подаются стробирующие импульсы, формируемые генератором 18. Смеситель 19 может быть выполнен в виде ключа, на основной вход которого поступают регистрируемые сигналы, а на управляющий вход - импульсы стробирования блока 18. Компаратор 17 и генератор 18 могут быть выполнены на основе компаратора и ждущего релаксационного генератора, соответственно формирующих импульсы стробирования в моменты равенства напряжений, вырабатываемых генераторами 16 и 23 быстрого и медленного пилообразного напряжения.

Длительность стробирующих импульсов настолько мала, что сигнал не успевает заметно измениться за это время, а период их повторения превышает период повторения зондирующих сигналов на величину, называемую шагом считывания. К входам компаратора 17 подключены генератор 16 быстрого пилообразного напряжения и генератор 23 медленного пилообразного напряжения. При этом генераторы 16 и 23 запускаются импульсами синхронизатора 15, причем генератор 16 - непосредственно, а генератор 23 - через делитель 24 частоты следования синхроимпульсов. При сравнении напряжений генератора 16 (синхронных с импульсами запуска передатчика 4) и генератора 23 (который используется также в качестве генератора развертки электроннолучевого индикатора 25 по вертикали) в момент их равенства компаратор 17 запускает ждущий релаксационный генератор 18. Импульсы стробирования в каждом из периодов повторения сдвигаются относительно начала быстрого пилообразного напряжения на шаг считывания. Таким образом, в смесителе 19 осуществляется последовательное считывание отдельных точек просматриваемого участка сигнала за несколько периодов повторения, т. е. образуется последовательность импульсов, амплитуды которых пропорциональны мгновенным значениям отраженных сигналов в пределах выбранного для индикации временного участка. Эти сигналы преобразуются расширителем 20 в последовательность более длинных импульсов, что обеспечивает эффективное выделение их огибающей с помощью фильтра 21 нижних частот. Диапазон считывания при равенстве амплитуд пилообразных напряжений генераторов 16 и 23 определяется длительностью быстрого пилообразного напряжения. Длительность же просматриваемого участка в реальном масштабе времени равна периоду медленного пилообразного напряжения.

Таким образом, коэффициент трансформации временного масштаба может достигать порядка 10⁶, что определяет возможность усиления огибающей в усилителе 22 модулятора яркости. Развертка по вертикальной оси электронно-лучевого индикатора 25 соответствует развертке по глубине обозреваемого участка (вертикальная строчная развертка). Электронно-лучевой индикатор 25 содержит усилители вертикального и горизонтального отклонения (изображение формируется за счет модуляции луча по яркости). Горизонтальная (кадровая) развертка осуществляется генератором 26 развертки синхроимпульсами второго выхода синхронизатора 15, следующими через встроенный в блок 14 делитель частоты. Эти же синхроимпульсы управляют и работой блока 2 сканирования антенной системой 1.

Таким образом, на экране электронно-лучевого индикатора 25 в реальном масштабе времени наблюдается плоская яркостная картина подповерхностных целей. Объемность изображения обеспечивается перемещением носителя устройства. При этом происходит последовательная во времени смена изображений на экране электронно-лучевого индикатора 25.

Частоты вертикальной (строчной) и горизонтальной (кадровой) разверток могут варьироваться в широких пределах в зависимости от скорости движения летательного аппарата. Эта скорость может изменяться от нулевого значения (для неподвижных вертолетов) до сотен метров в секунду.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими аналогичными устройствами обеспечивает повышение разрешающей способности по глубине. Это достигается путем обработки отраженных сверхширокополосных сигналов в фазовой плоскости методом обобщенной частоты.

На фиг. 3,а показан сверхширокополосный сигнал, представляющий из себя сумму двух радиоимпульсов с прямоугольной огибающей и максимальной амплитудой U_max=1. Второй импульс задержан относительно первого на 20 отсчетов или на 1/20 от длительности импульса. По форме сигнала на фиг. 3,а трудно сказать, что это сумма двух импульсов, несмотря на полное отсутствие шума. На кривой обобщенной частоты Ω(t) на фиг. 3,б наоборот ясно видно начало и конец каждого из двух импульсов в виде бесконечных пиков. Амплитуда первого пика бесконечна, так как он был получен при нулевом значении обобщенной огибающей M(t). Амплитуды второго и третьего пиков имеют конечные значения. Они имеют амплитуду n= 0,4 вдоль частотной оси, т.е. примерно в 10 раз больше значения ω_пр. Четвертый пик вычислен по тому же самому алгоритму и имеет амплитуду n=10¹³.

На фиг. 4,б показана кривая обобщенной частоты для сигнала, представляющего из себя сумму двух импульсов, огибающая каждого из которых описывается функцией cos², что является наиболее близким приближением к реальному сигналу (фиг. 4, а) с одинаковой амплитудой и задержкой на 20 отсчетов. Кривая демонстрирует возможность разрешения сигналов, а именно возможность определения местоположения начала второго и конца первого импульсов, обозначенных ступенькой на графике Ω(t). Пиковая амплитуда ступеньки является мерой допустимого уровня шума.

На фиг. 5, а представлен реальный сигнал, полученный как сумма двух сверхширокополосных радиоимпульсов, отраженных от поверхности земли и подповерхностного объекта. Длительность импульса около 4 нс. Импульсы полностью различимы. Шум измерений приводит к появлению ложных выбросов там, где u_пр(t) = 0 (фиг. 5,б). Кривая позволяет определить временное местоположение первого и второго импульсов. В интервале длительности импульса кривая Ω(t) осциллирует с характерной частотой около 2ω_пр хотя эти осцилляции заметно разрушены шумом.

На фиг. 6, а представлен сверхширокополосный радиосигнал на входе устройства, когда импульс, отраженный от подповерхностного объекта, частично перекрывается (во времени) с импульсом от земной поверхности (если время τ_з задержки линии задержки 6 выбирается равным нулю τ_з= 0). Длительность зондирующего импульса τ_и≈ 6,5 нс. Начало второго импульса на фиг. 6,а индицируется коротким всплеском при t≈12 нс. Кривая обобщенной частоты на фиг. 6,б позволяет определить временное положение первого и второго импульсов и их временное разрешение составляет менее половины общей длительности импульса.

Следовательно, обобщенная модель сверхширокополосных сигналов позволяет улучшить анализ тонкой структуры формы сигнала по сравнению с комплексной моделью Гильберта.

Использование: при решении задач электроразведки с помощью радиолокаторов бокового обзора, установленных на борту летательных аппаратов, для повышения разрешающей способности по глубине путем обработки отраженных сверхширокополосных сигналов в фазовой плоскости методом обобщенной частоты. Сущность изобретения: устройство содержит антенную систему 1, блок 2 сканирования диаграммой направленности, антенный коммутатор 3, передатчик 4, блок 5 высокой частоты, линию 6 задержки, усилитель-ограничитель 7, первый детектор 8, триггер 9, аттенюатор 10, второй детектор 11, усилитель 12 промежуточной частоты, третий детектор 13, индикаторный блок 14, синхронизатор 15, генератор 16 быстрого пилообразного напряжения, компаратор 17, генератор 18 строб-импульсов, стробоскопический смеситель 19, расширитель 20 импульсов, фильтр 21 нижних частот, усилитель 22 модулятора яркости, генератор 23 медленного пилообразного напряжения, делитель 24 частоты, электронно-лучевой индикатор 25, генератор 26 горизонтальной развертки, первый 27 и второй 28 дифференцирующие блоки, первый 29, второй 30 и третий 31 квадраторы, нормирующий блок 32, первый 33 и второй 34 перемножители, первый 35 и второй 36 сумматоры, первый 37 и второй 38 блоки извлечения квадратного корня и делитель 39 напряжений. 6 ил.

Устройство дистанционного зондирования подповерхностных слоев почвы, содержащее последовательно включенные синхронизатор, передатчик, антенный коммутатор и антенную систему, вход управления которой через блок сканирования диаграммой направленности соединен со вторым выходом синхронизатора, последовательно подключенные к антенному коммутатору блок высокой частоты, линию задержки, усилитель-ограничитель, первый детектор, триггер, второй вход которого через последовательно соединенные аттенюатор и второй детектор соединен с опорным выходом передатчика, усилитель промежуточной частоты, второй вход которого соединен с выходом блока высокой частоты, третий детектор и индикаторный блок, второй и третий входы синхронизации которого соединены с первым и вторым выходами синхронизатора соответственно, отличающееся тем, что в него введены два дифференцирующих блока, три квадратора, нормирующий блок, два перемножителя, два сумматора, два блока извлечения квадратного корня и делитель напряжений, причем между выходом усилителя промежуточной частоты и входом третьего детектора последовательно включены первый дифференцирующий блок, второй квадратор, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом нормирующего блока, первый сумматор, второй вход которого через первый квадратор соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, первый блок извлечения квадратного корня и делитель напряжений, к выходу первого дифференцирующего блока последовательно подключены второй дифференцирующий блок, третий квадратор, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом нормирующего блока, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго квадратора, и второй блок извлечения квадратного корня, выход которого соединен со вторым входом делителя напряжений.