УСТРОЙСТВО ЗОНДИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2014 года по МПК G06F19/00 G01S13/88 

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 сооружений (взлетно-посадочных полос, аэродромов, мостов, переходов, тоннелей метрополитена, вокзалов, стадионов 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, 817.640, 1078385, 1092453, 1100603, 1151900, 1247805, 1300396, 1594477, 1721566; патенты РФ №№2044331, 2105330, 2121671, 2158015, 2234694, 2282875, 2460090; патент Германии №2360778; патент Японии №57-17273; патент WO №2004102222; Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геодезии. - М., 1971; Дикарев В.И., Заренков В.А., Заренков Д.В. Методы и средства обнаружения объектов в укрывающих средах. СПб: Наука и техника, 2004, 280 с. и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство зондирования строительных конструкций» (патент РФ №2.460.090, G01S 13/88, 2011), 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 автоматического определения глубины расположения подповерхностных объектов с помощью коррелятора, который вычисляет корреляционную функцию R(τ), где τ - текущая временная задержка.

При этом для точного определения глубины расположения подповерхностных объектов в строительных конструкциях необходимо возможно точнее определить значение регулируемого запаздывания τ, соответствующее максимуму корреляционной функции R(τ).

Однако в области максимума корреляционная функция R(τ) имеет очень малую крутизну и изменяется незначительно при изменениях τ, т.е. не имеет ярко выраженной точки экстремума. Гораздо более благоприятной для поиска точки экстремума является форма производной от корреляционной функции $$\frac{dR(\tau )}{dt}$$ (фиг.2). В точке τ=0 производная имеет значительную крутизну и, кроме того, меняет знак в зависимости от положения относительно τ=0.

Следовательно, отыскание максимума корреляционной функции R(τ) (максимальный принцип - экстремальная задача) можно заменить минимальным принципом измерения - стабилизацией нулевого значения регулируемой величины. Этот принцип позволяет значительно повысить точность измерения глубины расположения подповерхностных объектов в строительных конструкциях.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения глубины расположения подповерхностных объектов в строительных конструкциях путем использования производной корреляционной функции.

Поставленная задача решается тем, что устройство зондирования строительных конструкций, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно включенные высокочастотный генератор, выполненный в виде генератора ударного возбуждения, и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну, приемник высокочастотного сигнала, ключ, второй вход которого через триггер соединен со вторым выходом высокочастотного генератора, первый усилитель, линию задержки, блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, интегратор, блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, и аналого-цифровой преобразователь, выход которого через интерфейс связан с портативной ЭВМ, последовательно подключенные ко второму выходу высокочастотного генератора блок автоматической регулируемой задержки, перемножитель и фильтр нижних частот, при этом соответствующие выходы интерфейса подключены к высокочастотному генератору, приемнику высокочастотного сигнала, блоку формирования эталонного напряжения, звуковому и жидкокристаллическому индикаторам, второй выход блока автоматической регулируемой задержки подключен ко второму входу триггера и к индикатору глубины залегания подповерхностного объекта, передающая и приемная антенны объединены в антенный блок, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено блоком дифференцирования и вторым усилителем, причем выход приемника высокочастотного сигнала через блок дифференцирования подключен к второму входу перемножителя, выход фильтра нижних частот через второй усилитель подключен к второму входу блока автоматической регулируемой задержки.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Вид корреляционной функции и ее производной показан на фиг.2.

Устройство зондирования строительных конструкций содержит последовательно включенные высокочастотный генератор 5, выполненный в виде генератора ударного возбуждения, и передающую антенну 8, последовательно включенные приемную антенну 9, приемник 7 высокочастотного сигнала, ключ 22, второй вход которого через триггер 11 соединен со вторым выходом высокочастотного генератора 5, первый усилитель 13, линию 14 задержки, блок 15 вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого 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, и аналого-цифровой преобразователь 20, выход которого через интерфейс 21 связан с портативной ЭВМ 1, последовательно подключенные ко второму выходу высокочастотного генератора 5 блок 25 автоматической регулируемой задержки, перемножитель 26, второй вход которого через блок 30 дифференцирования соединен с выходом приемника 7 высокочастотного сигнала, фильтр 27 нижних частот и второй усилитель 28, выход которого соединен со вторым входом блока 25 автоматической регулируемой задержки, второй выход которого подключен ко второму входу триггера 11 и к индикатору 29 глубины залегания подповерхностного объекта. При этом соответствующие выходы интерфейса 21 подключены к высокочастотному генератору 5, приемнику 7 высокочастотного сигнала, блоку 19 формирования эталонного напряжения, звуковому 24 и жидкокристаллическому 23 индикаторам. Высокочастотный генератор 5 и приемник 7 высокочастотного сигнала образуют электронный блок 3. Передающая 8 и приемная 9 антенны образуют антенный блок 4. Блок 25 автоматической регулируемой задержки, перемножитель 26, фильтр 27 нижних частот и второй усилитель 28 образуют коррелятор 12. Высокочастотный генератор 5, приемник 7 высокочастотного сигнала, триггер 11, коррелятор 12, первый усилитель 13, линия 14 задержки, блок 15 вычитания, интегратор 16, блок 17 деления, блок 19 формирования эталонного напряжения, блок 18 сравнения и аналого-цифровой преобразователь 20 образуют контроллер 6 по обработке и вводу данных в ЭВМ1. Кроме того, на фиг.1 введены следующие обозначения: 2 - поверхность строительной конструкции; 10 - подповерхностный объект, в качестве которого могут быть строительная арматура, пустоты и другие неоднородности, различные дефекты, подслушивающие устройства и т.д.

Принцип работы устройства основан на методе сверхширокополосного радиолокационного зондирования строительных конструкций, при котором оценивается изменение нестационарного 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 включений, так и об их форме, материале и т.п. Выделение полезной информации осуществляется с помощью обработки в ЭВМ 1 и отображается на экране визуального индикатора 23 в реальном масштабе времени.

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 устанавливаются исходные режимы всех блоков устройства. По команде ЭВМ1 генератор 5 ударного возбуждения формирует зондирующий сверхширокополосный сигнал в виде одного периода синусоиды амплитудой 20В и длительностью 1 нс, излучаемый передающей антенной 8 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 и приемную 9 антенны. 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-поверхность 2 строительной конструкции. Часть энергии зондирующего сигнала со 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 ЭВМ 1.

Часть энергии зондирующего сигнала со второго (опорного) выхода высокочастотного генератора 5 одновременно поступает через блок 25 автоматической регулируемой задержки, обеспечивающий переменную временную задержку τ, на первый вход перемножителя 26, на второй вход которого подается отраженный сигнал с выхода приемника 7 через блок 30 дифференцирования. Полученное на выходе перемножителя 26 напряжение пропускается через фильтр 27 нижних частот, на выходе которого формируется производная корреляционной функции $$\frac{dR(\tau )}{dt}$$ .

Усилитель 28, предназначенный для поддержания нулевого значения производной корреляционной функции $$\frac{dR(\tau )}{dt}$$ и подключенный к выходу фильтра 27 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 25 автоматической регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ равной нулю (τ=0), что соответствует минимальному значению (нулевому) производной корреляционной функции (фиг.2).

Шкалы индикатора 29, подключенного ко второму выходу блока 25 автоматической регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение глубины расположения подповерхностного объекта в строительной конструкции

$$h=\frac{c{\tau }_{з}}{d\tau }$$ ,

где τ_з - время запаздывания отраженного сигнала относительного зондирующего;

с - скорость распространения радиоволны.

Сформированный на втором выходе блока 25 автоматической регулируемой задержки импульс, соответствующий временной задержке τ>τ_з, 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.

Коррелятор 12 автоматически определяет глубину h залегания подповерхностного объекта и обеспечивает устранение влияния прямого излучения передающей антенны 8 и сигналов, отраженных от границы раздела воздух-поверхность строительной конструкции и от слоев различной глубины залегания, т.е. осуществляется «стробирование по вертикали», которое обеспечивает последовательный просмотр подповерхностного пространства строительной конструкции от границы раздела воздух-поверхность строительной конструкции до слоев различной глубины.

«Стробирование по горизонтали» позволяет на фоне вариаций электромагнитного поля, не связанных с электромагнитной волной, отражающейся 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 сигнал. 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. 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 деления 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 в ЭВМ 1.

После аналого-цифрового преобразования данные через плату интерфейса 21 поступают в ЭВМ 1, а затем на экран жидкокристаллического индикатора 23, частоты вертикальной (стройной) и горизонтальной (кадровой) разверток которого могут варьироваться в определенных пределах. На экран индикатора 23 в реальном масштабе времени наблюдается плоская яркостная картина неоднородностей и включений исследуемой строительной конструкции.

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 требуют остановки оператора и свидетельствуют о том, что в зоне обнаружения антенного блока 4 находится неоднородность или включение, природу происхождения которой следует установить, а при необходимости и уточнить ее местоположение и форму.

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 радиолокационный образ неоднородности или включения, дающий представление о форме и размерах неоднородности или включении. 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 при идентификации обнаруженной неоднородности с имеющимся в памяти ЭВМ 1 эталоном высвечивается соответствующее название, например «неоднородность №2». В случае несоответствия выводится сообщение «неоднородность не опознана».

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

Нажатие кнопки «Сканирование» и перемещение антенного блока 4 над неоднородностью (включением) дает возможность провести при необходимости повторное обследование неоднородности (включения) по критерию базового и обучаемого алгоритмов.

Идентификация обнаруженной неоднородности (включения) по обучаемому алгоритму, распознавание типа материала по базовому алгоритму, анализ оператором изображения и «среза» неоднородности (включения) позволяет оператору принять решение о дальнейших действиях относительно обнаруженной неоднородности (включения) и продолжения разведки.

Взаимодействие ЭВМ 1 с остальными узлами устройства, а также организация управления работой осуществляется через схемы интерфейса 21.

Орган управления, коммуникации и индикации вынесены на общую панель управления.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность, разрешающую способность, надежность обнаружения и идентификации неоднородностей и включений в строительные конструкции. Это достигается путем исключения отражений от границы раздела воздух-поверхность строительной конструкции, 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 исследуемого сигнала, а его отдельных выборок, каждая из которых формируется в различные периоды повторения данного сигнала.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими устройствами аналогичного назначения обеспечивает повышение точности, разрешающей способности, надежности обнаружения и идентификации неоднородностей и включений в строительных конструкциях. Это достигается использованием производной корреляционной функции, которая имеет значительную крутизну и, кроме того, меняет знак в зависимости от положения относительно τ=0. Метод измерения глубины залегания подповерхностного объекта по минимуму производной корреляционной функции (прохождению через нуль) наряду с высокой точностью и чувствительностью обладает еще одним весьма существенным преимуществом нулевого метода, а именно: амплитуда входных сигналов и ее флуктуации не оказывают влияние на результат измерений.

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях. Технический результат - повышение точности измерения глубины расположения подповерхностных объектов в строительных конструкциях путем использования производной корреляционной функции. Устройство зондирования строительных конструкций 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, подповерхностный объект, триггер, коррелятор, два усилителя, линию задержки, блок вычитания, интегратор, блок деления, блок сравнения, блок формирования эталонного напряжения, аналого-цифровой преобразователь, интерфейс, ключ, жидкокристаллический индикатор, звуковой индикатор, блок автоматической регулируемой задержки, перемножитель, фильтр нижних частот, индикатор глубины залегания подповерхностного объекта и блок дифференцирования. 2 ил.

Устройство зондирования строительных конструкций, содержащее последовательно включенные высокочастотный генератор, выполненный в виде генератора ударного возбуждения, и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну, приемник высокочастотного сигнала, ключ, второй вход которого через триггер соединен со вторым выходом высокочастотного генератора, первый усилитель, линию задержки, блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, интегратор, блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, и аналого-цифровой преобразователь, выход которого через интерфейс связан с портативной ЭВМ, последовательно подключенные ко второму выходу высокочастотного генератора блок автоматической регулируемой задержки, перемножитель и фильтр нижних частот, при этом соответствующие выходы интерфейса подключены к высокочастотному генератору, приемнику высокочастотного сигнала, блоку формирования эталонного напряжения, звуковому и жидкокристаллическому индикаторам, второй выход блока автоматической регулируемой задержки подключен ко второму входу триггера и к индикатору глубины залегания подповерхностного объекта, передающая и приемная антенны объединены в антенный блок, отличающееся тем, что оно снабжено блоком дифференцирования и вторым усилителем, причем выход приемника высокочастотного сигнала через блок дифференцирования подключен ко второму входу перемножителя, выход фильтра нижних частот через второй усилитель подключен ко второму выходу блока автоматической регулируемой задержки.