СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И РАСПОЗНАВАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ГРУНТА (ВАРИАНТЫ) И ВИБРОЩУП ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК G01V1/155 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области геофизических способов обнаружения скрытых масс или объектов, и может быть использовано для поиска приповерхностных неоднородностей, например, неметаллических и металлических предметов (кирпич, труба, искусственная закладка), находящихся в грунте на малой глубине (до 0.3 м), а также участков грунта с нарушенной или измененной плотностью.

Известные способы и устройства для поиска включений в верхнем слое грунта можно условно разделить на две группы: электромагнитные и акустические. К первой группе относятся широко применяемые металлоискатели различных типов, не реагирующие на неметаллические объекты, и георадары, осуществляющие локацию грунта высокочастотными электромагнитными импульсами. Георадары позволяют обнаружить в грунте объекты из любого материала, но они не работают на увлажненном грунте.

Известно много способов и устройств, использующих для поиска неоднородностей упругие волны (воздушные акустические, в грунте - сейсмические). Например, в патенте США №5.357.063, от 18.10.1994 г., Lany J. House, Douglas В. Раре "Method and apparatus for acoustic energy identification of objects buried in soil", предлагаются способ и устройство, определяющие наличие неоднородностей в грунте по уровню отраженной от них акустической энергии. С этой целью излучение акустической энергии в грунт происходит под некоторым углом таким образом, что в приемник должен попадать только отраженный от неоднородности сигнал. Данное устройство определяет только наличие неоднородности в грунте и имеет ограниченные возможности ее классификации только по размерам. Кроме того, наблюдение отражения от неоднородности происходит на фоне поверхностной волны, генерируемой источником. В ряде патентов (патенты США №4.922.467, от 01.05.1990 г. David D. Caulfield "Acoustic detection apparatus"; №5.563.848 от 08.10.1996 г. Andrew J. Rogers, Charles G. Don " Object detector for detecting buried objects") описываются устройства, проводящие локацию грунта импульсным акустическим сигналом. Сигнал, отраженный или преломленный неоднородностью, выделяется на фоне отражения от грунта сравнением его с эталонным отражением от участка грунта, свободного от неоднородностей. Подобные устройства не обеспечивают надежного обнаружения объектов в грунте, так как нет гарантии, что эталонное отражение снимается на чистом грунте, кроме того, из-за малых расстояний не происходит временного разделения излучаемого и отраженного от объекта импульсов и небольшие вариации акустомеханических свойств грунта могут замаскировать влияние отражения от объекта в принятый импульс.

В патентах США №5.974.881, от 02.11.1999 г D. Donskoy, A. Sutin "Method and apparatus for acoustic detection of mines and other buried man-made objects" и №6.134.996, от 27.03.2000 г. Kenneth P. Geohegan, Henry M. Gruen "Sonar system" описываются способ и устройство для акустического обнаружения мин и других скрытых объектов, основанные на нелинейном искажении зондирующего сигнала на границе раздела между объектом и окружающей средой. Для этого исследуемый участок грунта облучается акустическим сигналом на двух частотах, выбранных таким образом, что разностная их частота совпадает с резонансной частотой искомого объекта. При наличии в грунте искомого объекта в колебаниях поверхности грунта наблюдается сигнал разностной частоты. Достоинством предлагаемого метода является селекция обнаруживаемых объектов от камней, кусков металла и т.п., резонансы которых не ярко выражены или лежат вне исследуемой полосы частот. Измерение колебаний грунта предлагается вести дистанционно лазерным лучом, что также является достоинством предлагаемого устройства. Однако при реальной эксплуатации устройства его достоинства могут перерасти в недостатки: выбор разностной частоты под один тип объекта требует постоянной перестройки прибора в процессе работы, тем более что, как показывает практика, резонансы объектов могут меняться в зависимости от глубины залегания и типа грунта, а лазерный съем колебаний грунта потребует развязки от вибраций носителя, частота которых может попасть в диапазон рабочих частот устройства. Кроме того, для того, чтобы в зондирующем сейсмическом сигнале возникли нелинейные искажения, мощность излучаемого акустического сигнала должна быть достаточно высокой.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения по способу решения задачи и совокупности сходных существенных признаков, выбранным за прототип, является эхолокатор по патенту США №4.439.845, от 27.03.1984 г. и способ обнаружения им объектов под водой. Эхолокатор состоит из источника колебаний, приемной системы, системы спектральной обработки принятого сигнала и решающего устройства.

Источником колебаний излучают импульсы на двух несущих частотах, одну из которых выбирают равной резонансной частоте искомого объекта. Приемной системой принимают отраженный сигнал, а системой спектральной обработки сравнивают амплитуды продетектированных импульсов.

Данное устройство и способ в основном приспособлены для работы в воде и поэтому не могут эффективно решать задачу поиска неоднородностей в грунте. Связано это в основном с тем, что в нем (как и во всех вышеперечисленных устройствах) излучатель сигнала и приемник пространственно разнесены и при принятии решения о наличии или отсутствии объекта приходится учитывать неизвестную амплитудно-частотную характеристику участка грунта.

Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа и переносного виброщупа для обнаружения и классификации неоднородностей в поверхностном слое грунта и участков грунта с нарушенной плотностью с улучшенными эксплуатационными характеристиками, отличающихся повышенной надежностью определения наличия неоднородности в грунте и не требующих для своей реализации сложных технологических и конструктивных решений.

Сущность разработанного способа обнаружения и классификации неоднородностей в поверхностном слое грунта заключаются в том, что генератором подают тестовый сигнал на виброисточник, регистрируют его сейсмоприемником и анализируют в измерительной системе и системе распознавания.

Новым в разработанном способе является то, что генератором тестового сигнала формируют широкополосный сигнал с заданной полосой частот, а с помощью измерительной системы измеряют колебания виброисточника. Присутствие неоднородности определяют не по изменению сигнала, отраженного от неоднородности, а по изменению амплитуды колебаний виброисточника (установочного резонанса системы виброисточника) в зависимости от частоты подаваемого на него сигнала. Резонансная частота колебаний виброисточника зависит от плотности и упругости грунта под источником. Наличие неоднородностей в грунте изменяют его физико-механические свойства, что отражается в изменении резонансной частоты виброисточника.

Данный способ позволяет надежно обнаруживать и разделять типы неоднородностей, отличающиеся по физико-механическим свойствам, например, камень, кусок металла, объект с воздушными включениями или эластичными стенками. В том случае, когда необходимо различить два однотипных объекта, в качестве тестового сигнала используют белый шум в заданной полосе, уровень которого увеличивают по линейному закону. В этом случае в качестве дополнительного признака распознавания используют нелинейные свойства материала, приводящие к различной зависимости частоты установочного резонанса от уровня излучаемого сигнала.

Дополнительную классификацию типа неоднородностей проводят для селекции упругих неоднородностей с воздушными включениями от неоднородностей типа трещин и пустот в грунте. При наличии таких неоднородностей частоты установочного резонанса виброщупа могут совпадать с частотами установочного резонанса некоторых упругих включений. Установлено, что при изменении амплитуды воздействия на грунт из-за его нелинейных свойств происходит изменение частоты установочного резонанса (частота повышается при уменьшении амплитуды воздействия), причем диапазон изменения частоты установочного резонанса зависит от типа неоднородности.

Для реализации данного способа обнаружения разработано новое устройство виброщуп, в котором в качестве измерительной системы применен сейсмоприемник с системой спектральной обработки сигнала и система распознавания.

Сущность разработанного виброщупа по обнаружению и классификации неоднородностей в поверхностном слое грунта заключается в том, что источник колебаний состоит из виброисточника и генератора тестового сигнала, а измерительная приемная система включает сейсмоприемник, устройство спектрального анализа сигнала и систему распознавания для сравнения выходного сигнала с эталонным спектром, при этом виброисточник и сейсмоприемник образуют единую колебательную систему, а в качестве генератора тестового сигнала установлен источник широкополосного сигнала, ширина полосы которого перекрывает диапазон возможных изменений частоты установочного резонанса системы виброисточник-сейсмоприемник. Виброщуп обеспечивает регистрацию неоднородности по изменению амплитуды колебаний виброисточника и по значению частоты установочного резонанса системы позволяет сделать заключение о плотности и упругости грунта под виброисточником. В том случае, когда необходимо различать два однотипных объекта, в качестве генератора тестового сигнала установлен источник белого шума в заданной полосе, с возможностью увеличения уровня сигнала по линейному закону.

С целью устранения влияния контактных условий на точность работы виброщупа его контакт с грунтом осуществляют в трех точках.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

Фиг.1 - блок-схема одного из вариантов виброщупа.

Фиг.2 - кривая установочного резонанса виброщупа на однородном не нарушенном грунте.

Фиг.3 - кривая установочного резонанса виброщупа, установленного над зарытым в грунте на глубине 2-3 см массивным куском металла.

Фиг.4 - кривая установочного резонанса виброщупа, установленного над участком грунта, который перед этим был вскопан на глубину около 15 см, а после этого слега утрамбован.

Фиг.5 - кривая установочного резонанса виброщупа, установленного над зарытым в грунте упругим объектом, имеющим воздушные включения.

Фиг.6 - блок-схема виброщупа в режиме работы дополнительной классификации типа неоднородности.

Фиг.7 - график зависимости частоты установочного резонанса для двух однотипных упругих неоднородностей.

Фиг.8 - график зависимости частоты установочного резонанса для трещины в грунте (кривая с) и объекта, содержащего упругие неоднородности (кривая d).

Способ обнаружения и классификации неоднородностей в поверхностном слое грунта заключается в том, что виброисточник устанавливают на грунт, к виброисточнику подключают генератор тестового сигнала, а с помощью измерительной системы определяют колебания самого виброисточника. Наличие неоднородности определяют по изменению амплитуды колебаний виброисточника в зависимости от частоты подаваемого на него сигнала. Резонансная частота колебаний виброисточника зависит от плотности и упругости грунта под источником и его массы.

Дополнительным признаком распознавания для селекции упругих неоднородностей с воздушными включениями от неоднородностей типа трещин и пустот в грунте используют нелинейные свойства материала, в частности зависимость резонансной частоты колебаний виброисточника от уровня излучаемого сигнала.

В варианте данного способа в качестве тестового сигнала, подаваемого на виброисточник, используют белый шум в заданной полосе, уровень которого увеличивают по линейному закону.

Устройство для обнаружения и классификации неоднородностей в поверхностном слое грунта указанным способом снабжен виброисточником 1 с закрепленным на нем сейсмоприемником 2. Виброисточник соединен с генератором тестового сигнала 3 через усилитель мощности 4, а сейсмоприемник 2 в свою очередь соединен с устройством спектрального анализа сигнала сейсмоприемника 5, который соединен с системой распознавания 6.

Разработанный виброщуп, блок-схема которого приведена на фиг.1, работает следующим образом. Виброисточник 1 с закрепленным на нем сейсмоприемником 2 устанавливают на грунт. В качестве виброисточника может быть использован любой маломощный вибратор, имеющий равномерную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в полосе частот 20-1000 Гц (например, виброизлучатели СТД-Б или ВИ-45). Сейсмоприемником может служить любой стандартный акселерометр с равномерной частотной характеристикой в заданной полосе частот. С генератора тестового сигнала 3 через усилитель мощности 4 на виброисточник 1 подают возбуждающий его широкополосный электрический сигнал. Ширину полосы частот тестового сигнала выбирают такой, чтобы она перекрывала диапазон возможных изменений установочного резонанса системы виброисточник-сейсмоприемник. Эксперименты, проведенные на разных типах грунтов с различными неоднородностями, показали, что при массе вибратора в пределах 0.3-0.4 кг, для этого достаточно иметь полосу частот тестового сигнала в пределах 20-700 Гц. В качестве широкополосного тестового сигнала могут быть применены сигнал с линейной частотной модуляцией с девиацией частоты в заданной полосе, белый шум, последовательность коротких импульсов. Длительность посылки тестового сигнала определяют необходимой для распознавания точностью определения частоты установочного резонанса системы виброисточник-сейсмоприемник. Электрический сигнал с сейсмоприемника 2 поступает на устройство спектрального анализа 5. В простейшем случае устройство спектрального анализа представляет собой набор параллельных фильтров, перекрывающих полосу частот тестового сигнала. Ширину полосы пропускания каждого фильтра определяют требованиями к точности классификации типа неоднородности. Возможно применение в качестве устройства спектрального анализа 5 системы быстрого преобразования Фурье (БПФ). Электрический сигнал с устройства 5 поступает на систему распознавания 6. В простейшем случае в ней выходной сигнал каждого фильтра нормируют на величину интегрального уровня сигнала, полученного с аналогичного фильтра, расположенного вне частотного диапазона, занимаемого резонансными кривыми исследуемых неоднородностей. (Такая нормировка эффективна, если интегральный уровень в выбранной полосе коррелирован с сигналами в рабочей полосе при отсутствии неоднородности, и позволяет избежать ненужных флюктуаций сигнала при работе на различных грунтах). Нормированный сигнал далее подается на пороговую схему. Уровень порога определяют из статистических данных об аналогичных нормированных величинах и заданных величинах вероятностей правильного обнаружения и ложных тревог.

На фиг.2-6 для иллюстрации принципа работы предлагаемого виброщупа приводятся полученные с помощью его макетного образца кривые установочного резонанса виброщупа на различных подложках. Вес системы виброисточник-сейсмоприемник, которая использовалась в экспериментах, равен 0.35 кг, тестовый сигнал - сигнал линейно-частотной модуляции с девиацией частоты 30-700 Гц.

На фиг.2 изображена кривая установочного резонанса виброщупа на однородном ненарушенном грунте. Кривая отражает только характеристики грунта.

На фиг.3 изображена кривая установочного резонанса виброщупа, установленного над зарытым в грунте на глубине 2-3 см массивным куском металла. Кривая установочного резонанса смещена в область более высоких частот по сравнению с кривой на фиг.2 для ненарушенного грунта.

На фиг.4 изображена кривая установочного резонанса виброщупа, установленного над участком грунта, который перед этим был вскопан на глубину около 15 см, а после этого слега утрамбован. Кривая отражает изменение первоначальных свойств грунта.

На фиг.5 изображена кривая установочного резонанса виброщупа, установленного над зарытым в грунте упругим объектом, имеющим воздушные включения. Кривые на фиг.4 и 5 смещены в область более низких частот по сравнению с кривой на фиг.2 для ненарушенного грунта.

Представленные иллюстрации наглядно демонстрируют смещение установочного резонанса системы виброисточник-сейсмоприемник в зависимости от типа объекта, который находится под ним, а также нарушения целостности грунта. Наличие плотного объекта, такого как металл, смещает частоту установочного резонанса в область высоких частот (фиг.3), объекты с воздушными включениями, а также взрыхление грунта смещают частоту установочного резонанса в область низких частот (фиг.4, 5).

На фиг.6 приведена блок-схема виброщупа в режиме работы дополнительной классификации типа неоднородности. В этом режиме в качестве генератора тестового сигнала 6 использован генератор белого шума, на выходе усилителя мощности 4 установлен регулятор уровня сигнала 7, с помощью которого можно изменять амплитуду колебаний виброисточника 1. Распознавание типа неоднородности проводят по величине изменения частоты установочного резонанса над неоднородностью в зависимости от амплитуды колебаний виброисточника.

На фиг.7 приведен график зависимости частоты установочного резонанса от амплитуды сигнала, подаваемого на виброисточник, для двух однотипных упругих (кривые а и b) неоднородностей. Из графиков видно, что изменение частоты установочного резонанса виброщупа практически одинаково.

На фиг.8 приведена зависимость частоты установочного резонанса виброщупа от амплитуды входного сигнала при установке его над трещиной в грунте (кривая с) и над однотипными упругими неоднородностями (кривая d). Частоты установочного резонанса в обоих случаях совпадают при максимальной амплитуде воздействия и различаются приблизительно на 8-10% при минимальной амплитуде.

Виброщуп и способ его использования надежно обнаруживают и разделяют типы неоднородностей, отличающиеся по физико-механическим свойствам, например, камень, кусок металла, объект с воздушными включениями или эластичными стенками.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Larry J. House, Douglas В. Раре "Method and apparatus for acoustic energy identification of objects buried in soil" Патент США №5.357.063, от 18.10.1994 г.

2. David D. Caulfield "Acoustic detection apparatus". Патент США №4.922.467, от 01.05.1990 г.

3. Andrew J. Rogers, Charles G. Don " Object detector for detecting buried objects" Патент США №5.563.848, от 08.10.1996 г.

4. D. Donskoy, A. Sutin "Method and apparatus for acoustic detection of mines and other buried man-made objects" Патент США №5.974.881, от 02.11.1999 г.

5. D. Donskoy, A. Sutin "Method and apparatus for acoustic detection of mines and other buried man-made objects" Патент США №6.134.996, от 24.10.2000 г.

6. Kenneth P. Geohegan, Henry M. Gruen "Sonar system" Патент США №4.439.845, от 27.03.1984 г.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области геофизических методов обнаружения скрытых масс или объектов, и может быть использовано для поиска приповерхностных неоднородностей, например, неметаллических и металлических предметов (кирпич, труба, искусственная закладка), находящихся в грунте на малой глубине (до 0.3 м), а также участков грунта с нарушенной или измененной плотностью. Сущность разработанного способа обнаружения и распознавания неоднородностей в поверхностном слое грунта заключается в том, что он имеет генератор тестового сигнала, виброисточник, измерительную систему и систему распознавания. Генератор тестового сигнала формирует широкополосный сигнал с заданной полосой частот, а с помощью измерительной системы измеряют колебания виброисточника. Присутствие неоднородности определяется не по изменению сигнала, отраженного от неоднородности, а по изменению амплитуды колебаний виброисточника в зависимости от частоты подаваемого на него сигнала. Резонансная частота колебаний виброисточника определяется различными факторами, в том числе плотностью и упругостью грунта под ним. Наличие неоднородности в грунте меняет его физико-механические свойства, что отражается в изменении резонансной частоты виброисточника. Заявленный способ может быть реализован посредством использования виброщупа, содержащего генератор тестового сигнала, усилитель мощности, виброисточник, сейсмоприемник, устройство спектрального анализа сигнала сейсмоприемника и систему распознавания. Технический результат: повышение точности определения неоднородностей. 3 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ обнаружения и распознавания неоднородностей в поверхностном слое грунта, заключающийся в том, что устанавливают виброисточник на грунт, посылают сигналы от генератора тестового сигнала на виброисточник, отличающийся тем, что измеряют колебания виброисточника и анализируют их в устройстве спектрального анализа, в качестве тестового сигнала используют широкополосный сигнал, ширина полосы которого перекрывает диапазон возможных изменений частоты установочного резонанса виброисточника, причем присутствие неоднородностей определяют по изменению амплитуды виброисточника в зависимости от частоты подаваемого на него сигнала, а распознавание типа неоднородности проводят по величине изменения частоты установочного резонанса над неоднородностью в зависимости от амплитуды колебаний виброисточника.2. Способ обнаружения и распознавания неоднородностей в поверхностном слое грунта, заключающийся в том, что устанавливают виброисточник на грунт, посылают сигналы от генератора тестового сигнала на виброисточник, отличающийся тем, что измеряют колебания виброисточника и анализируют их в устройстве спектрального анализа, в качестве тестового сигнала используют белый шум в заданной полосе, уровень которого увеличивается по линейному закону, причем присутствие неоднородностей определяют по изменению амплитуды виброисточника в зависимости от частоты подаваемого на него сигнала, а распознавание типа неоднородности проводят по величине изменения частоты установочного резонанса над неоднородностью в зависимости от амплитуды колебаний виброисточника.3. Виброщуп для обнаружения и распознавания неоднородностей в поверхностном слое грунта, содержащий генератор тестового сигнала, усилитель мощности, виброисточник, сейсмоприемник, устройство спектрального анализа сигнала сейсмоприемника и систему распознавания, отличающийся тем, что сейсмоприемник установлен на виброисточнике и жестко соединен с ним, а на выходе усилителя мощности установлен регулятор уровня сигнала с возможностью линейного изменения уровня сигнала на виброисточнике в течение цикла измерений, причем в качестве генератора тестового сигнала установлен генератор белого шума, а виброисточник снабжен тремя точками контакта с грунтом.