ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ РАДИОЛОКАТОР Российский патент 2004 года по МПК G01V3/12 

Предлагаемый радиолокатор относится к геофизике, в частности к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты, и может быть использован при разведке полезных ископаемых, для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей в исследуемом подповерхностном слое земной поверхности, а также для обнаружения живых людей под землей, в завалах, под снегом и пр.

Известны устройства для геоэлектроразведки (авт. свид. СССР №№321783, 344391, 385251, 397877, 455307, 708277, 746370, 817640, 1078385, 1092453, 1100603, 1151900, 1247805, 1300396, 1317378, 1420574, 1469488, 1553933, 1594477, 1721566; патенты РФ №№2044331, 2105330, 2194292; Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. - М., 1971 и др.).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Геофизический радиолокатор" (патент РФ №2194292, G 01 F 3/12, 2000), который и выбран в качестве прототипа.

Принцип работы указанного геофизического радиолокатора основан на методе сверхширокополосного радиолокационного зондирования, при котором оценивается изменение нестационарного электромагнитного поля, образованного отраженными от подповерхностного объекта электромагнитными волнами после его облучения зондирующим радиосигналом, в качестве которого используется последовательность радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного). При этом разделение приемопередающих каналов по эфиру осуществляется с помощью двух антенн (передающей и приемной), которые образуют двухантенный блок. Формирование зондирующего сверхширокополосного радиосигнала осуществляется генератором ударного возбуждения и передающей антенной.

На границе раздела грунт - объект, характеризующегося скачком относительной диэлектрической проницаемости и удельного затухания, формируется отраженный сигнал, возвращающийся к приемной антенне. Принимаемый сверхширокополосный сигнал с помощью стробоскопического приемника претерпевает масштабно-временное преобразование и переводится в цифровую форму, удобную для представления и обработки. Этот сигнал содержит информацию как о глубине расположения объекта, так и о его форме, материале и т.д. Выделение полезной информации осуществляется с помощью обработки в спецвычислителе и отображается на экране визуального индикатора в реальном масштабе времени.

Электромагнитная волна, отражающая от подповерхностного объекта, воздействует на приемную антенну, на эту же антенну воздействуют мешающие прямое излучение передатчика и отраженный сигнал от границы раздела воздух - грунт.

Для исключения прямого излучения передатчика и отраженной от поверхности воздух - грунт и от слоев с различной глубиной залегания в известном радиолокаторе используется “стробирование по вертикали”.

“Стробирование по горизонтали” позволяет на фоне вариаций электромагнитного поля, не связанных с электромагнитной волной, отражающейся от подповерхностного объекта, надежно выделять в подповерхностных слоях подповерхностные объекты. Для исключения влияния периодических и квазистационарных вариаций электромагнитного поля Земли осуществляют периодическое измерение напряженности поля и операцию нормирования разностного сигнала двух последовательных измерений, т.е. игнорируют разностный сигнал, делят разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал. Операция сравнения нормированного сигнала с задержанным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии подповерхностного объекта.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей геофизического радиолокатора путем поиска засыпанных биообъектов или их останков в районах землетрясений в процессе поисково-спасательных работ, а также в альпинизме при поиске биообъектов, засыпанных, например, снежными лавинами или горными обвалами.

Поставленная задача решается тем, что геофизический локатор, содержащий последовательно включенные блок обработки и управления, интерфейс, передатчик, в качестве которого использован генератор ударного возбуждения и ко второму выходу которого подключена передающая антенна, первый смеситель стробоскопического преобразования, второй вход которого через первый формирователь строба соединен с вторым выходом интерфейса, и триггер, последовательно включенные приемную антенну, второй смеситель стробоскопического преобразователя, второй вход которого через второй формирователь строба соединен с третьим выходом интерфейса, первую линию задержки, триггер, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго смесителя и усилитель, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с четвертым выходом интерфейса, к пятому, шестому и седьмому выходам которого подключены блок обработки и управления, звуковой и жидкокристаллический индикаторы соответственно, а ко второму входу подсоединен аналого-цифровой преобразователь, вторая линия задержки, блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя, интегратор, блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, и блок сравнения, второй вход которого через блок формирования эталонного напряжения соединен с восьмым выходом интерфейса, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю, снабжен выключателем, квадратурным демодулятором и двумя каналами обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных предварительного усилителя, мультиплексора, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя строба, многоканального полосового фильтра, демультиплексора, электронного короткозамыкающего ключа, второй вход которого соединен с десятым выходом интерфейса, и низкочастотного усилителя, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, причем к первому выходу передатчика последовательно подключены выключатель и квадратурный демодулятор, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, а два выхода подключены к первому и второму каналам обработки соответственно.

Геофизический радиолокатор содержит блок 1 обработки и управления, интерфейс 2, передатчик 3, передающую антенну 4, первый смеситель 5 стробирующего преобразования, первый формирователь 6 строба, приемную антенну 7, приемник 8, второй формирователь 9 строба, второй смеситель 10 стробоскопического преобразователя, первую линию 11 задержки, триггер 12, ключ 13, цифроаналоговый преобразователь 14, усилитель 15, аналого-цифровой преобразователь 16, звуковой индикатор 17, жидкокристаллический индикатор 18, вторую линию задержки 19, блок 20 вычитания, интегратор 21, блок 22 деления, блок 23 формирования эталонного напряжения, блок 24 сравнения, выключатель 25, квадратурный демодулятор 26, предварительные усилители 27.1 и 27.2, мультиплексоры 28.1 и 28.2, демодуляторы 30.1 и 30.2, электронные короткозамыкающие ключи 31.1 и 31.2, низкочастотные фильтры 32.1 и 32.2.

Геофизический радиолокатор работает следующим образом.

Основным режимом работы радиолокатора является режим “Поиск”. Этот режим устанавливается автоматически при включении прибора и используется при поиске и распознавании подповерхностных объектов.

При подаче на радиолокатор напряжений питания блок 1 обработки и управления инициирует установку исходных режимов всех узлов радиолокатора. По команде блока 1 обработки и управления генератор 3 ударного возбуждения формирует импульсный сверхширокополосный сигнал в виде одного периода синусоиды амплитудной 25 В и длительностью 1 нс, излучаемый передающей антенной 4 в направлении поверхности Земли.

Обнаружение объектов в режиме “Поиск” осуществляется оператором путем перемещения перед собой вправо - влево антенного блока, укрепленного на штанге, и движением вперед в заданном направлении. При этом необходимо следить за тем, чтобы антенный блок перемещался параллельно обследуемой поверхности на фиксированном расстоянии (не менее 5 см от нее). Скорость перемещения антенного блока выбирается в зависимости от условий поиска и должен быть в пределах 0,1...1,0 м/с. В процессе поиска необходимо чередовать поперечные и продольные перемещения антенного блока таким образом, чтобы после каждого взмаха справа налево или слева направо антенный блок перемещался вперед на расстояние до 20 см (на величину своего линейного размера). При этом необходимо следить за тем, чтобы был обследован весь проверяемый участок местности.

Электромагнитная волна, отражающаяся от подповерхностного объекта, воздействует на приемную антенну 7. На эту же антенну воздействует мешающее прямое излучение передатчика 3 и отраженный сигнал от границы раздела воздух - грунт.

Часть энергии зондирующего сигнала с опорного выхода передатчика 3 поступает на первый смеситель 5 стробоскопического преобразователя, куда также подается короткий строб-импульс с формирователя 6 строба. Сформированный в смесителе 5 импульс, представляющий собой мгновенное значение зондирующего периодического сигнала, поступает на установочный вход триггера 12. Триггер 12 переводится в первое (нулевое) состояние, при котором на его выходе формируется отрицательное напряжение.

Отраженный сигнал, содержащий информацию о границе раздела сред и о подповерхностном объекте, поступает с выхода приемной антенны 7 на второй смеситель 10 стробоскопического преобразователя, куда также подается короткий строб-импульс с формирователя 9 строба. Сформированный в смесителе 10 импульс, представляющий собой мгновенное значение принятого периодического сигнала, через линию 11 задержки поступает на второй вход триггера 12. Последний переводится во второе (единичное) состояние, при котором на его выходе формируется положительное напряжение. Это напряжение поступает на управляющий вход ключа 13 и открывает его. В исходном состоянии ключ 13 всегда закрыт.

Линия 11 задержки необходима для наиболее полного управления влиянием отражений от границы раздела сред на работу усилителя 15 и последующих каскадов. Линия 11 задержки можно выполнить переменной, что обеспечит устранение влияния прямого излучения передающей антенны 4 и сигналов, отраженных от границы раздела воздух - грунт от слоев различной глубины залегания, т.е. осуществляется “стробирование по вертикали”, которое обеспечивает последовательный просмотр подповерхностного пространства до слоев различной глубины.

“Стробирование по горизонтали” позволяет на фоне вариаций электромагнитного поля, не связанных с электромагнитной волной, отражающейся от подповерхностного объекта, надежно выделять в подповерхностных слоях подповерхностные объекты. Для исключения влияния периодических и квазистационарных вариаций электромагнитного поля Земли осуществляют периодические измерения напряженности поля и операцию нормирования разностного сигнала двух последовательных измерений, т.е. интегрируют разностный сигнал, делят разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал. Операция сравнения нормированного сигнала с задержанным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии подповерхностного объекта.

Для этого сформированный в смесителе 10 импульс, представляющий собой мгновенное значение принимаемого периодического сигнала, отраженного от подповерхностного объекта, или импульс, обусловленный вариациями электромагнитного поля, через открытый ключ 13 поступает после усиления в усилителе 15 на блок 20 вычитания непосредственно и через линию задержки 19. При этом в каждой точке наблюдения производится не менее двух последовательных измерений указанных импульсов. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого импульс, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 19 задержки до момента сравнения его с последующим импульсом в блоке 20 вычитания. Операция интегрирования разностного сигнала и деление разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производится в блоках 21 и 22. В блоке 24 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемым блоком 23. При превышении порогового уровня сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 16, где он преобразуется в цифровую форму и поступает через интерфейс 2 в блок 1 обработки и управления. Цифроаналоговый преобразователь 14 предназначен для преобразования цифровой информации, поступающей с блока 1 обработки и управления, в аналоговую информацию.

Частота формирования строб-импульсов отличается от стабильной частоты (100 кГц) генератора, вследствие чего очередной строб-импульс смещается относительно периодического принимаемого сигнала, а последовательно сформированные таким образом мгновенные значения складываются в масштабно преобразованную во времени реализацию принимаемого сигнала.

После аналого-цифрового преобразования данные через плату интерфейса 2 поступают в блок 1 обработки и управления, а затем на экран жидкокристаллического индикатора 18. Частота вертикальной (строчной) и горизонтальной (кадровой) разверток могут варьироваться в определенных пределах. На экране индикатора 18 в реальном масштабе времени наблюдается плоская яркостная картина подповерхностных целей.

Максимальная амплитуда принимаемого сигнала сравнивается с установленным пороговым значением, при превышении которого включается звуковой индикатор 17.

Появление звукового сигнала, визуального сигнала на экране требует остановки оператора и свидетельствует о том, что в зоне обнаружения антенного блока находится объект, природу происхождения которого следует установить, а при необходимости уточнить его местоположение и форму. Для анализа объекта следует выполнить сканирование объекта (перемещение антенного блока от границы обнаружения до границы потери) со скоростью, определяющей световой строкой на экране индикатора.

Режим “Сканирование” и формирование вертикального среза грунта с объектом (режим “Срез”) осуществляется переходом из режима “Поиск” нажатием кнопки “Скан”. Через 20 с после обработки сигнала на экране индикатора появляется радиолокационный образ объекта, дающий представление о форме и размерах объекта. По желанию оператора контрастность изображения может меняться кнопками "<", ">" в сторону уменьшения или увеличения.

Для идентификации обнаруженного объекта с имеющимися эталонами оператору необходимо обратиться к обучаемому алгоритму, при этом на экране индикатора при идентификации обнаруженного объекта с имеющимся в памяти эталоном высвечивается соответствующее имя (например, “объект 2”). В случае несоответствия выводится сообщение “объект не опознан”.

Для определения материала обнаруженного объекта оператор нажатием кнопки переходит к базовому алгоритму. Нажатием кнопки “Скан” запускается базовый алгоритм. На экране выводится сообщение о типе материала: “Металл”, “Композит”, “Пластик”, “Биообъект”.

Нажатие кнопки “Скан” и перемещение антенного блока над объектом дает возможность провести при необходимости повторное обследование объекта по критерию базового и обучаемого алгоритма.

Идентификация обнаруженного объекта по обучаемому алгоритму, распознавание типа материала по базовому алгоритму, анализ оператором изображения и “среза” объекта позволяют оператору принять решение о дальнейших действиях относительно обнаруженного объекта и продолжения разведки.

Если обнаруженный подповерхностный объект по форме и материалу соответствует биообъекту, то оператор замыкает выключатель 25 и приступает к определению жизненных функций обнаруженного биообъекта, благодаря которым живые организмы можно достоверно отличить от мертвых.

Известно, что живые организмы и, следовательно, живые человеческие тела неожиданно оказывают воздействие на высокочастотные электромагнитные сигналы за счет своих главных жизненных функций, то есть сердцебиения и дыхательной активности.

Поскольку эти жизненные функции обычно проявляют себя в пределах известных диапазонов частот, которые для частоты сердцебиения человека составляют 0,5...3,4 Гц, нормально 1...2 Гц, а для частоты дыхания 0,1...1,5 Гц, это определяет характерные диапазоны частот.

В любом случае диапазон частот от 0,01 до 10 Гц включает все частоты, представляющие интерес с точки зрения жизненных функций организма.

В этом случае отраженный сигнал с выхода блока 24 сравнения поступает на информационный вход квадратурного демодулятора 26. В качестве гетеродинного сигнала на этот демодулятор через выключатель 25 подается часть мощности передатчика 3. Квадратурные сигналы разностной частоты, действующие на двух выходах квадратурного демодулятора 26, усиливаются предварительными усилителями 27.1, 27.2 и поступают на входы многоканальных полосовых фильтров 29.1, 29.2 через мультиплексоры 28.1, 28.2. Управляющий вход мультиплексоров 28.1, 28.2 соединен с выходом формирователя 9 строба.

Следовательно, предварительные усилители 27.1, 27.2 выделяют спектральные составляющие сигнала разностной частоты, вызванные дыханием и сердечной деятельностью. Для извлечения информации о амплитуде и фазе отраженного сигнала два образующихся квадратурных сигнала разностной частоты в последовательные моменты времени направляются с помощью мультиплексоров 28.1, 28.2 на выходы двух многоканальных полосовых фильтров 29.1, 29.2. Многоканальные полосовые фильтры 29.1, 29.2 подавляют составляющую квадратурных сигналов разностной частоты, вызванную отражениями от неподвижных объектов, и выделяют переменную составляющую, вызванную перемещениями, дыханием и сердцебиением. Нижняя частота полосы пропускания каждой ячейки многоканального фильтра, которая определяется параметрами элементов фильтра и входным сопротивлением низкочастотного усилителя, выбирается порядка 0,1 Гц для пропускания спектральных составляющих, вызванных дыханием. Сигналы с выходов многоканальных полосовых фильтров 29.1, 29.2 поступают на демультиплексоры 30.1, 30.2, выполненные на стандартных аналоговых микросхемах, с помощью которых производится опрос выходов ячеек многоканальных полосовых фильтров 29.1, 29.2 с частотой, задаваемой блоком 1 обработки и управления. Частота опроса каналов многоканальных полосовых фильтров 29.1, 29.2 выбирается такой, чтобы обеспечить возможность проведения цифровой обработки сигналов, действующих на выходах демультиплексоров в реальном масштабе времени.

Действующие на выходах демультиплексоров сигналы представляют собой растянутые во времени копии переменных составляющих квадратурных сигналов, поступающих на входы мультиплексоров. Выходы демультиплексоров 30.1, 30.2 соединены с входами короткозамыкающих электронных ключей 31.1 и 31.2, осуществляющих программно управляемый разряд ячеек многоканальных полосовых фильтров 29.1 и 29.2 для устранения переходных процессов, связанных с воздействием сильных кратковременных сигналов, возникающих при перемещении объектов в облучаемой зоне. Входы управления электронных ключей 31.1 и 31.2 через интерфейс 2 соединены с блоком 1 обработки и управления. Сигналы с выходов короткозамыкающих электронных ключей 31.1 и 31.2 поступают на низкочастотные фильтры 32.1, 32.2 и далее на входы аналого-цифрового преобразователя 16. Сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 16 через интерфейс 2 поступает в блок 1 обработки и управления, в котором проводится спектральный анализ квадратурных составляющих сигналов, соответствующих дыханию и сердечным сокращениям. С выхода блока 1 обработки и управления данные сигналы поступают на жидкокристаллический индикатор 18.

При целенаправленном обнаружении живых людей в завалах, под снегом и пр. вычислитель 25 замыкается и геофизический радиолокатор обеспечивает повышение вероятности обнаружения слабых сигналов, вызванных дыхательной и сердечной деятельностью.

Взаимодействия блока 1 обработки и управления с остальными узлами радиолокатора, а также организация управления работой осуществляется через схемы интерфейса 2.

Органы управления, коммутации и индикации вынесены на общую панель управления. Различные варианты использования дисплея в режиме поиска, а также работа прибора во вспомогательных режимах не изменяют сути описанных физических процессов, а определяются только программой работы блока 1 обработки и управления.

Таким образом, предлагаемый радиолокатор по сравнению с прототипом, обеспечивает не только высокую надежность обнаружения и идентификации различных подповерхностных объектов на различной глубине залегания, но и скрытых живых существ. Это достигается осуществлением пространственного разрешения и подавлением сигналов от неподвижных объектов, что позволяет устранить помехи, вызванные присутствием подвижных объектов в облучаемой зоне, увеличить динамический диапазон приемного устройства и повысить вероятность обнаружения слабых сигналов, вызванных дыхательной и сердечной деятельностью. Тем самым функциональные возможности геофизического радиолокатора расширены.

Изобретение относится к геофизике, в частности к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты, и может быть использовано при разведке полезных ископаемых, для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей в исследуемом подповерхностном слое земной поверхности, а также для обнаружения живых людей под землей, под снегом и пр. Сущность: геофизический радиолокатор содержит блок обработки и управления, интерфейс, передатчик, передающую антенну, два смесителя стробоскопического преобразователя, два формирователя строба, приемную антенну, приемник, две линии задержки, триггер, ключ, цифроаналоговый преобразователь, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, звуковой индикатор, жидкокристаллический индикатор, блок вычитания, интегратор, блок деления, блок формирования эталонного напряжения, блок сравнения, выключатель, квадратурный демодулятор, предварительные усилители, мультиплексоры, многоканальные полосовые фильтры, демультиплексоры, электронные короткозамыкающие ключи, низкочастотные фильтры. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Геофизический радиолокатор, содержащий последовательно включенные блок обработки и управления, интерфейс, передатчик, в качестве которого использован генератор ударного возбуждения и ко второму выходу которого подключена передающая антенна, первый смеситель стробоскопического преобразования, второй вход которого через первый формирователь строба соединен с вторым выходом интерфейса, и триггер, последовательно включенные приемную антенну, второй смеситель стробоскопического преобразователя, второй вход которого через второй формирователь строба соединен с третьим выходом интерфейса, первую линию задержки, триггер, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго смесителя, и усилитель, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с четвертым выходом интерфейса, к пятому, шестому и седьмому выходам которого подключены блок обработки и управления, звуковой и жидкокристаллический индикатор соответственно, а ко второму входу подсоединен аналого-цифровой преобразователь, вторая линия задержки, блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя, интегратор, блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, и блок сравнения, второй вход которого через блок формирования эталонного напряжения соединен с восьмым выходом интерфейса, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю, отличающийся тем, что он снабжен выключателем, квадратурным демодулятором и двумя каналами обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных предварительного усилителя, мультиплексора, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя строба, многоканального полосового фильтра, демультиплексора, второй вход которого соединен с девятым выходом интерфейса, электронного короткозамыкающего ключа, второй вход которого соединен с десятым выходом интерфейса, и низкочастотного усилителя, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, причем к первому выходу передатчика последовательно подключены выключатель, и квадратурный демодулятор, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, а два выхода подключены к первому и второму каналам обработки соответственно.