УСТРОЙСТВО ЗОНДИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2006 года по МПК G01S13/88 G01N22/02 

Предлагаемое устройство относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях, и может найти применение в следующих областях: контрразведывательной деятельности по выявлению подслушивающих устройств; оперативно-розыскной деятельности правоохранительных органов; зондировании строительных конструкций с целью определения положения арматуры, пустот и других неоднородностей; зондировании особо ответственных строительных конструкций (взлетно-посадочных полос, аэродромов, мостов, переходов и т.д.) с целью определения скрытых дефектов в них.

Известны устройства зондирования строительных конструкций (авт. свид. СССР №№ 321783, 344391, 385251, 397877, 455307, 708277, 746370, 817640, 1.078385, 1.092453, 1100603, 1151900, 1247805, 1300396, 1594477, 1721566; патенты РФ №№ 2044331, 2105330, 2067759, 2121671, 2158015, 2234694; патент ФРГ № 2360778; патент Японии № 57-17.273; Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. - М., 1971 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство зондирования строительных конструкций" (патент РФ № 2.234.694, G 01 N 22/02, 2002), которое и выбрано в качестве прототипа.

Известное устройство позволяет повысить точность, разрешающую способность, надежность обнаружения и идентификации неоднородностей и включений в строительных конструкциях. Это достигается путем исключения отражений от границы раздела воздух-строительная конструкция, квазистационарной составляющей, периодических вариаций электромагнитного поля Земли и использования последовательности радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного).

Использование сигналов малой длительности в качестве зондирующих сигналов определяет ряд специфических особенностей их регистрации. Вместе с тем, периодичность следования отраженных сигналов позволяет использовать стробоскопический метод обработки сигналов. Сущность данного метода заключается в том, что осуществляется регистрация не самого отраженного сигнала, а его отдельных выборок, каждая из которых формируется в различные периоды повторения данного сигнала.

К недостаткам известного устройства следует отнести существенное затухание сигналов в среде и его зависимость от частоты, при этом сухие материалы (бетон, кирпич, дерево) имеют меньшее затухание, чем влажные.

Кроме затухания в среде, принятый сигнал ослабляется для точечного объекта обратно пропорционально четвертой степени удаления от поверхности раздела, а для протяженных объектов, эффективно перекрывающих луч передатчика, эта зависимость будет кубической для линейных и квадратичной - для плоских объектов.

Следовательно, известное устройство не обеспечивает достоверного подповерхностного обнаружения и распознавания скрытых неоднородностей.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности подповерхностного обнаружения и распознавания скрытых неоднородностей путем получения трехмерного их изображения.

Поставленная задача решается тем, что в устройство зондирования строительных конструкций, состоящее из высокочастотного генератора, пространственно совмещенных передающей и приемной антенн, приемника высокочастотного сигнала и ЭВМ, при этом к первому выходу высокочастотного генератора подключена передающая антенна, к выходу приемной антенны последовательно подключены приемник и контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ, высокочастотный генератор выполнен в виде генератора ударного возбуждения, контроллер выполнен в виде последовательно подключенных к выходу приемника высокочастотного сигнала первой линии задержки, триггера, второй вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора, ключа, второй вход которого соединен с выходом приемника высокочастотного сигнала, усилителя, второй линии задержки, блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя, интегратора, блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, и аналого-цифрового преобразователя, выход которого через интерфейс связан с ЭВМ, соответствующие выходы интерфейса подключены к высокочастотному генератору, приемнику высокочастотного сигнала, блоку формирования эталонного напряжения, звуковому и жидкокристаллическому индикаторам, сформированный в приемнике высокочастотного сигнала импульс через первую линию задержки поступает на второй вход триггера, который формирует положительное напряжение, которое открывает ключ, через который импульс, сформированный в приемнике высокочастотного сигнала, передается через усилитель во вторую линию задержки и блок вычитания, разностный сигнал от блока вычитания подается на интегратор и блок деления, а затем после блока деления через блок сравнения подается в аналого-цифровой преобразователь, введены генератор ультразвуковых импульсов, ультразвуковой излучатель, три приемника ультразвуковых импульсов и устройство обработки ультразвуковых импульсов, причем к соответствующему выходу интерфейса последовательно подключены генератор ультразвуковых импульсов и ультразвуковой излучатель, выходы приемников ультразвуковых импульсов через устройство обработки ультразвуковых импульсов подключены к соответствующему входу интерфейса, ультразвуковой излучатель, приемная и передающая антенны размещены в антенном блоке, генератор ультразвуковых импульсов, приемник и передатчик высокочастотного сигнала размещены в электронном блоке, устройство обработки ультразвуковых импульсов размещено в контроллере по обработке и вводу данных в ЭВМ, тремя приемниками ультразвуковых импульсов образованы соответственно начало и оси прямоугольной системы координат XOY на обследуемой поверхности.

Структурная схема устройства зондирования строительных конструкций представлена на чертеже.

Устройство включает в себя: 1 - портативную ЭВМ, 2 - поверхность строительной конструкции, 3 - электронный блок в составе высокочастотного генератора 5, приемника 7 высокочастотного сигнала и генератора 23 ультразвуковых импульсов, 4 - антенный блок, включающий пространственно совмещенные передающую 8 и приемную 9 антенны и ультразвуковой излучатель 24, 6 - контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ, 10 - подповерхностный объект, в качестве которого могут быть строительная арматура, пустоты и другие неоднородности, различные дефекты, подслушивающие устройства и т.д., 12, 14 - первую и вторую линии задержки; 13 - усилитель; 15 - блок вычитания; 16 - интегратор; 17 - блок деления; 18 - блок сравнения; 19 - блок формирования эталонного напряжения; 20 - аналого-цифровой преобразователь; 21 - интерфейс; 22 - ключ; 23 - жидкокристаллический индикатор; 24 - звуковой индикатор; 25 - генератор ультразвуковых импульсов, 26 - ультразвуковой излучатель; 27, 28, 29 - приемники ультразвуковых импульсов, 30 - устройство обработки ультразвуковых импульсов. Причем к первому выходу высокочастотного генератора 5 подключена передающая антенна 8. К выходу приемной антенны 9 последовательно подключены приемник 7 высокочастотного сигнала, первая линия 12 задержки, триггер 11, второй вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора 5, ключ 22, второй вход которого соединен с выходом приемника 7, усилитель 13, вторая линия 14 задержки, блок 15 вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя 13, интегратор 16, блок 17 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 15 вычитания, блок 18 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 19 формирования эталонного напряжения, аналого-цифровой преобразователь 20, интерфейс 21 и ЭВМ1.

Соответствующие выходы интерфейса 21 подключены к высокочастотному генератору 5, приемнику 7 высокочастотного сигнала, блоку 19 формирования эталонного напряжения, звуковому 24 и жидкокристаллическому 23 индикаторам, генератору 25 ультразвуковых импульсов, к выходу которого подключен ультразвуковой излучатель 26. Выходы приемников 27-29 ультразвуковых импульсов через устройство 30 обработки ультразвуковых импульсов подключены к соответствующему входу интерфейса 21.

Принцип работы устройства основан на методе сверхширокополосного радиолокационного зондирования строительных конструкций, при котором оценивается изменение несанкционированного электромагнитного поля, образованного отраженными от различных неоднородностей и включений электромагнитными волнами после их облучения зондирующим радиосигналом, в качестве которого используется последовательность радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного). Формирование зондирующего сверхширокополосного радиосигнала осуществляется генератором 5 ударного возбуждения и передающей антенной 8. На границе раздела строительная конструкция - неоднородность, характеризующейся скачком относительной диэлектрической проницаемости и удельного затухания, формируется отраженный радиосигнал, возвращающийся к приемной антенне 9. Принимаемый сверхширокополосный радиосигнал с помощью стробоскопического приемника 7 претерпевает масштабно-временное преобразование и переводится в цифровую форму, удобную для представления и обработки. Цифровой сигнал содержит информацию как о расположении неоднородности и включении, так и о их форме, материале и т.п.

Выделение полезной информации осуществляется с помощью обработки в ЭВМ1 и отображается на экране визуального индикатора 23 в реальном масштабе времени.

Особенностью устройства является наличие ультразвуковой системы точного местоопределения положения антенного блока 4, благодаря чему возможны упорядоченное обследование поверхности и формирование массива данных для построения трехмерного изображения объема.

С помощью устройства может быть получен радиолокационный разрез бетонной стены с изображением арматуры и расположенных за ней различных закладок.

Устройство зондирования строительных конструкций работает следующим образом.

Основным режимом работы устройства является режим "Поиск". Этот режим устанавливается автоматически при включении устройства и используется при поиске и распознавании различных неоднородностей и включений, находящихся в строительных конструкциях.

При включении напряжения питания устанавливаются исходные режимы всех блоков устройства. По команде ЭВМ1 генератор 5 ударного возбуждения формирует зондирующий сверхширокополосный сигнал в виде одного периода синусоиды амплитудой 20 В и длительностью 1 мс, a генератор 25 ультразвуковых импульсов - измерительный ультразвуковой импульс длительностью 0,25 мс. Радиолокационный сигнал передающей антенной 8 и ультразвуковой импульс ультразвуковым излучателем 26 излучаются в направлении поверхности 2 строительной конструкции.

Обнаружение неоднородностей и включений в режиме "Поиск" осуществляется оператором путем перемещения вправо-влево, вперед-назад антенного блока 4, укрепленного на штанге и включающего пространственно совмещенные передающую 8, приемную 9 антенны и ультразвуковой излучатель 26. При этом необходимо следить за тем, чтобы антенный блок 4 перемещался параллельно обследуемой поверхности 2 строительной конструкции на фиксированном расстоянии (5-10 см от нее). Скорость перемещения антенного блока 4 выбирается в зависимости от условий поиска и конфигурации строительной конструкции. При этом необходимо следить за тем, чтобы был обследован весь проверяемый участок поверхности 2 строительной конструкции.

Электромагнитная волна, отражающаяся от неоднородности 10, воздействует на приемную антенну 9. На эту же антенну воздействует мешающее прямое излучение генератора 5 и отраженный сигнал от границы раздела воздух-строительная конструкция. Часть энергии зондирующего сигнала с второго выхода высокочастотного генератора 5 поступает на первый вход триггера 11, который переводится в первое (нулевое) состояние. На выходе триггера 11 формируется отрицательное напряжение.

Отраженный сигнал, содержащий информацию о границе раздела сред и неоднородности 10, с выхода приемной антенны 9 поступает на первый вход приемника 7, на второй вход которого подается через интерфейс 21 короткий строб импульс с ЭВМ1. Сформированный в приемнике 7 импульс, представляющий собой мгновенное значение принятого периодического сигнала, через линию 12 задержки поступает на второй вход триггера 11. Последний переводится во второе (единичное) состояние, при котором на его выходе формируется положительное напряжение. Это напряжение поступает на управляющий вход ключа 22 и открывает его. В исходном состоянии ключ 22 всегда закрыт.

Линия 12 задержки необходима для наиболее полного управления влиянием отражений от границы раздела сред на работу усилителя 13 и последующих каскадов. Линия 12 задержки выбирается переменной, что обеспечивает устранение влияния прямого излучения передающей антенны 8 и сигналов, отраженных от границы раздела воздух-строительная конструкция и от слоев различной глубины залегания, т.е. осуществляется "стробирование по вертикали", которое обеспечивает последовательный просмотр подповерхностного пространства строительной конструкции от границы раздела воздух-строительная конструкция до слоев различной глубины.

"Стробирование по горизонтали" позволяет на фоне вариаций электромагнитного поля, не связанных с электромагнитной волной, отражающей от неоднородности или включения, надежно выделять в подповерхностных слоях строительной конструкции неоднородности, включения и т.п. Для исключения влияния периодических и квазистационарных вариаций электромагнитного поля Земли осуществляется периодическое измерение напряженности поля и операция нормирования разностного сигнала двух последовательных измерений, т.е. интегрируется разностный сигнал, делится разностный сигнал на проинтегрированный разностный согнал. Операция сравнения нормированного сигнала с заданным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии неоднородности или включения.

Для этого сформированный в приемнике 7 импульс, представляющий собой мгновенное значение принимаемого периодического сигнала, отраженного от неоднородности 10, через открытый ключ 22 после усиления в усилителе 13 поступает на блок 15 вычитания непосредственно и через линию 14 задержки. 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 14 задержки до момента сравнения его с последующим импульсом в блоке 15 вычитания. Операции интегрирования разностного сигнала и деление разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производится в блоках 16 и 17. В блоке 18 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, формируемым блоком 19. При превышении порогового уровня сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 20, где он преобразуется в цифровую форму и поступает через интерфейс 21 на ЭВМ1.

После аналого-цифрового преобразования данные через плату интерфейса 21 поступают в ЭВМ1, а затем на экран жидкокристаллического индикатора 23, частоты вертикальной (строчной) и горизонтальной (кадровой) разверток которого могут варьироваться в определенных пределах. На экране индикатора 23 в реальном масштабе наблюдается плоская яркостная картина неоднородности и включений исследуемой строительной конструкции.

Для построения трехмерных изображений неоднородностей и включений используется ультразвуковая система точного местоопределения положения антенного блока 4, состоящая из генератора 25 ультразвуковых импульсов, ультразвукового излучателя 26, трех приемников ультразвуковых импульсов 27, 28 и 29, устройства 30 обработки ультразвуковых импульсов, которое из принятых ультразвуковых импульсов формирует интервалы времени, необходимые для определения текущего положения антенного блока 4. При этом приемники 27, 28 и 29 ультразвуковых импульсов образуют начало и оси прямоугольной системы координат XOY на обследуемой поверхности.

Антенный блок 4 содержит широкополосный ультразвуковой излучатель 26 и радиолокационные передающую 8 и приемную 9 антенны, выполненные в виде вибраторных излучателей типа "бабочка" с резонатором специальной формы.

Синхроимпульс от ЭВМ1 через интерфейс 21 запускает генератор 25 ультразвуковых импульсов, импульс которого излучается вдоль обследуемой поверхности через ультразвуковой излучатель 26, имеющий близкую к круговой диаграмму направленности.

Приемники 27, 28 и 29 ультразвуковых импульсов в момент прихода к ним излученного импульса формируют стандартные выходные сигналы, поступающие на устройство 30 обработки, которое измеряет три интервала времени между излученным и принятыми импульсами. На основании этих данных ЭВМ1 решает задачу определения текущего положения антенного блока 4 как точки пересечения трех окружностей с центрами в точках 27, 28 и 29 и радиусами, равными произведениям измеренных интервалов на скорость звука в воздухе. Высокая точность местоопределения обеспечивается короткой длительностью импульса - не более 0,25 мс и его малой пространственной протяженностью - около 6 см. Это достигается тем, что в качестве излучателя и приемников используются специальные широкополосные электроакустические преобразователи, разработанные с использованием современного материала - пъезопленки на основе полимера - поливиниладентфторида.

Максимальная амплитуда принимаемого сигнала сравнивается с установленным пороговым значением, при превышении которого включается звуковой индикатор 24.

Появление звукового сигнала и визуального сигнала на экране индикатора 23 требует остановки оператора и свидетельствует о том, что в зоне обнаружения антенного блока 4 находится неоднородность или включение, природу происхождения которой следует установить, а при необходимости, уточнить ее местоположение и форму, как это описано выше.

Для анализа обнаруженной неоднородности следует выполнить ее сканирование (перемещение антенного блока 4 от границы обнаружения до границы потери) со скоростью, определяемой световой строкой на экране индикатора 23. Режим "сканирование" и формирование вертикального среза строительной конструкции с обнаруженной неоднородностью осуществляется переходом из режима "Поиска" нажатием кнопки "Сканирование", расположенной на передней панели устройства. Через 20 с после обработки сигнала на экране индикатора 23 появляется трехмерный радиолокационный образ неоднородности или включения, дающий представление о форме и размерах неоднородности (включения). По желанию оператора контрастность изображения можно изменять соответствующими кнопками в сторону увеличения или уменьшения.

Для идентификации обнаруженной неоднородности с имеющимися эталонами оператору необходимо обратиться к обучаемому алгоритму, при этом на экране индикатора 23 высвечивается соответствующее название, например "неоднородность № 2". В случае несоответствия выводится сообщение "неоднородность не опознана".

Для определения материала обнаружения неоднородности (включения) оператор нажатием соответствующей кнопки переходит к базовому алгоритму. На экране выводится сообщение о типе материала: "Металл", "Композит", "Пластик" и т.д.

Взаимодействия ЭВМ1 с остальными узлами устройства, а также организация управления работой осуществляется через схемы интерфейса 21.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими устройствами аналогичного назначения позволяет повысить достоверность подповерхностного обнаружения и распознавания скрытых неоднородностей. Это достигается использованием ультразвуковой системы точного местоопределения положения антенного блока, благодаря чему возможны упорядоченное обследование поверхности и формирование массива данных для построения трехмерного изображения объема. С помощью предлагаемого устройства может быть получен радиолокационный разрез бетонной стены с изображением арматуры и расположенных за ней неоднородностей и включений.

Предлагаемое устройство относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях, и может найти применение в следующих областях: контрразведывательной деятельности, по выявлению подслушивающих устройств; оперативно-розыскной деятельности правоохранительных органов; зондировании строительных конструкций с целью определения положения арматуры, пустот и других неоднородностей; зондировании особо ответственных строительных конструкций (взлетно-посадочных полос, аэродромов, мостов, переходов и т.д.) с целью определения скрытых дефектов в них. Технической задачей изобретения является повышение достоверности подповерхностного обнаружения и распознавания скрытых неоднородностей путем получения трехмерного их изображения. Устройство содержит портативную ЭВМ-поверхность строительной конструкции, электронный блок, антенный блок, высокочастотный генератор, контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ, приемник высокочастотного сигнала, передающую антенну, приемную антенну, объект, триггер, первую и вторую линии задержки, усилитель, блок вычитании, интегратор, блок деления, блок формирования эталонного напряжения, блок сравнения, аналого-цифровой преобразователь, интерфейс, ключ, звуковой индикатор, жидкокристаллический индикатор, генератор ультразвуковых импульсов, ультразвуковой излучатель, приемники ультразвуковых импульсов и устройство обработки ультразвуковых импульсов. 1 ил.

Устройство зондирования строительных конструкций, состоящее из высокочастотного генератора, пространственно совмещенных передающей и приемной антенн, приемника высокочастотного сигнала и ЭВМ, при этом к первому выходу высокочастотного генератора подключена передающая антенна, к выходу приемной антенны последовательно подключены приемник высокочастотного сигнала и контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ, высокочастотный генератор выполнен в виде генератора ударного возбуждения, контроллер выполнен в виде последовательно подключенных к выходу приемника высокочастотного сигнала первой линии задержки, триггера, второй вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора, ключа, второй вход которого соединен с выходом приемника высокочастотного сигнала, усилителя, второй линии задержки, блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя, интегратора, блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, и аналого-цифрового преобразователя, выход которого через интерфейс связан с ЭВМ, соответствующие выходы интерфейса подключены к высокочастотному генератору, приемнику высокочастотного сигнала, блоку формирования эталонного напряжения, звуковому и жидкокристаллическому индикаторам, сформированный в приемнике высокочастотного сигнала импульс через первую линию задержки поступает на второй вход триггера, который формирует положительное напряжение, которое открывает ключ, через который импульс, сформированный в приемнике высокочастотного сигнала, передается через усилитель во вторую линию задержки и блок вычитания, разностный сигнал от блока вычитания подается на интегратор и блок деления, а затем после блока деления через блок сравнения подается в аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что в него введены генератор ультразвуковых импульсов, ультразвуковой излучатель, три приемника ультразвуковых импульсов и устройство обработки ультразвуковых импульсов, причем к соответствующему выходу интерфейса последовательно подключены генератор ультразвуковых импульсов и ультразвуковой излучатель, выходы приемников ультразвуковых импульсов через устройство обработки ультразвуковых импульсов подключены к соответствующему входу интерфейса, ультразвуковой излучатель, приемная и передающая антенны размещены в антенном блоке, генератор ультразвуковых импульсов, приемник и передатчик высокочастотного сигнала размещены в электронном блоке, устройство обработки ультразвуковых импульсов размещено в контроллере по обработке и вводу данных в ЭВМ, тремя приемниками ультразвуковых импульсов образованы соответственно начало и оси прямоугольной системы координат XOY на обследуемой поверхности.