СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДМЕТОВ В ГРУНТЕ Российский патент 2018 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к способу определении относительной диэлектрической проницаемости ε_R исследуемого на предмет наличия металлических и неметаллических предметов грунта с использованием поискового устройства с, по меньшей мере, одним радаром для сканирования грунта с, по меньшей мере, одной передающей антенной и, по меньшей мере, одной приемной антенной, а также способ детектирования для обнаружения мин в грунте с использованием миноискателя с металлодетектором и радаром для сканирования грунта, причем металлодетектор содержит, по меньшей мере, одну поисковую катушку с плоскостью катушки, которую при поиске следует перемещать параллельно земле, а радар для сканирования грунта оснащен антенной системой с, по меньшей мере, одной передающей антенной и одной приемной антенной.

При поиске предметов в грунте, в частности мин, желательно иметь возможность установления границы и оценки наряду с расположением под поверхностью, по меньшей мере, приблизительной глубины находящегося в грунте предмета. Проблема заключается в том, что для определения глубины, которое обычно осуществляют с помощью известных для поиска устройств, необходимо знать свойства грунта. В случае поисковых приборов, которые используют для этого, речь идет главным образом о приборах с радаром для сканирования грунта или комбинированных приборах, которые дополнительно содержат также металлодетектор. С помощью комбинированных приборов можно обнаруживать в грунте как металлические, так и неметаллические предметы, в число которых входят также мины без металлических составных частей. В случае радара для сканирования грунта (GPR = Ground Penetrating Radar) речь идет об устройстве, которое позволяет определять неразрушающим методом характеристики грунта с помощью электромагнитных волн с частотами в диапазоне радара. В основном существуют два принципа, при которых удаление определяют на основании разницы во времени между моментом излучения зондирующего импульса с помощью передающей антенны и моментом поступления отраженных сигналов на приемную антенну или оценивают разностную частоту или разность фаз между сигналами передачи и приема. В основном стремятся к максимально большой ширине полосы частот сигнала передачи, чтобы получить оптимальный результат применительно к глубине проникновения в грунт и разрешающей силе подлежащих поиску структур (мин и т.п.). В основном в случае антенн речь может идти об одном из известных вариантов планарных дипольных антенн (линейно или постепенно расширяющийся диполь, антенна в виде симметричного вибратора с треугольными краями, диполь с V-образными плечами, диполь с круговыми, эллипсоидными или каплеобразными плечами и т.д.), которые изготовлены из диэлектрического материала, например, пластмассы и металлизированы исключительно на их обоих плечах. Радар для сканирования грунта особо пригоден в том случае, если речь идет о предметах, которые содержат столь мало металла, что этот металл затруднительно обнаружить с помощью металлодетектора. Поскольку, однако, диэлектрический контраст между, например, миной и грунтом должен быть относительно большим, для этого благоприятны устройства с радаром для сканирования грунта.

Так как радар для сканирования грунта известным образом излучает электромагнитные волны с помощью передающей антенны в виде диполя, время прохождения отраженного сигнала, который принимают приемной антенной, зависит от относительной диэлектрической проницаемости ε_R. Последнюю можно рассчитать в соответствии с уравнением ε_R = (С₀ /С)² при скорости С₀ передачи в воздухе или в вакууме и скорости с в грунте. Таким образом, при знании параметра ε_R на основании времени прохождения излученного в грунт сигнала до момента приема можно определить глубину нахождения предмета в грунте. Относительную диэлектрическую проницаемость определяют наряду с характеристиками и структурой субстанции грунта (каменистый, песчаный, смешанный и т.п.) дополнительно путем его просвечивания. По сравнению с сухими грунтами при влажном грунте время прохождения и в равной мере также затухание проходящего сквозь грунт сигнала отчетливо больше.

При определении относительной диэлектрической проницаемости ε_R действуют таким образом, что два эталонных объекта закапывают на двух различных глубинах в области с составом грунта, соответствующим составу грунта в подлежащей исследованию области. Оба этих эталонных объекта распознают с помощью радара для сканирования грунта и расчет относительной диэлектрической проницаемости ε_R происходит на основании разницы измеренного времени прохождения и известных удалений в грунте. В завершение производят ручную настройку датчика применительно к диапазону частоты измерения и усиления таким образом, что обеспечивается возможность надежного обнаружения обоих объектов.

Поэтому в основу настоящего изобретения положена задача создания лучшей возможности определения относительной диэлектрической проницаемости ε_R, в результате чего она может быть непосредственно использована в последующем способе детектирования для обнаружения, в частности, мин в грунте, чтобы достаточно точно оценить глубину расположения предмета в грунте.

Эту задачу решают в соответствии с изобретением с помощью способа в соответствии с пунктом 1, а также способа детектирования в соответствии с пунктом 3. Дальнейшие предпочтительные исполнения описаны в дополнительных пунктах, на которые даны соответствующие ссылки.

В соответствии с изобретением способ определения относительной диэлектрической проницаемости осуществляют таким образом, что сначала выбирают репрезентативный участок подлежащей исследованию области, например, на краю подлежащей исследованию области. С помощью поискового прибора с, по меньшей мере, одним радаром для сканирования грунта через, по меньшей мере, одну передающую антенну излучают сигнал передачи и с помощью, по меньшей мере, одной приемной антенны принимают сигнал передачи и определяют время, прошедшее между передачей и приемом. Эти измерения проводят, с одной стороны, если поисковое устройство обращено своей активной для поиска стороной а) от грунта и, с другой стороны, b), прилегает к грунту. Измерение а) проводят для получения для последующего определения относительной диэлектрической проницаемости ε_R поддающейся воспроизведению сравнительной величины для скорости распространения сигнала в воздухе, а в случае b) – для получения величины измерения для скорости распространения сигнала в грунте. Тем самым, для измерения а) проводят измерение в воздухе, причем важно, чтобы в непосредственной близости от антенн не находилось никаких объектов, которые могли бы исказить сравнительное измерение. Для измерения b) участок на краю подлежащей исследованию области, которая имеет максимальное сходство по характеристикам грунта с подлежащей исследованию областью, может быть использован в качестве эталонной области, на которую накладывают используемый поисковый прибор. Может возникнуть необходимость в возможной очистке области от находящейся там растительности, так как поросли растений также содержат воду и дополнительно влияют на измерение.

На следующем этапе, на основании времени прохождения сигнала через воздух и непосредственной траектории прохождения сигнала в поисковом устройстве между передающей антенной и приемной антенной определяют среднюю скорость сигнала при положении а). При этом большая часть доли сигнала проходит по прямому пути между передающей антенной и приемной антенной, причем прочие доли проходящего через воздух сигнала уменьшаются с удалением от прямой траектории движения. Так как передающая антенна и приемная антенна расположены вместе на одной печатной плате, на печатной плате на прямом пути между обеими антеннами возникают перекрестные наводки. Применительно к своей форме принятый сигнал является суммарной смесью всех долей сигнала, в результате чего принятый сигнал относительно сигнала передачи снижается, расширяется и сдвигается во времени по своей амплитуде.

Соответствующим образом определяют также среднюю скорость сигнала на основании времени прохождения сигнала между передающей антенной и приемной антенной через грунт, через воздух и через непосредственную траекторию прохождения сигнала в поисковом устройстве при положении b), причем также и здесь принятый сигнал применительно к своей форме представляет собой наложение всех долей сигнала, в результате чего принятый сигнал по отношению к сигналу передачи снижается, расширяется и сдвигается во времени по своей амплитуде. Снижение происходит вследствие ослабления сигнала с увеличением расстояния и вследствие затухания, расширение обусловлено различными скоростями. Также и здесь существенной долей является сигнал с наведенными на прямом пути между обеими антеннами перекрестными наводками.

Затем на основании соотношения обеих средних скоростей сигнала в соответствии с измерениями а) и b) определяют относительную диэлектрическую проницаемость ε_R. Это возможно по той причине, что в результате сравнения результатов из измерения а) с результатами из измерения b) существенными являются лишь отличия от а), определенные при измерении b). При этом способе измерение грунта производят по типу открытых структур и определяют обратное действие грунта на эти открытые структуры. Эта структура является по форме открытой, так что она вырабатывает электромагнитные волны с электрическим полем, которое проникает в грунт, после чего измеряют его обратное действие. Упомянутые перекрестные наводки между обеими антеннами состоят, как упоминалось, из различных составных долей, которые проходят на печатной плате весьма узкими и/или которые также претерпевают определенное пространственное расширение в грунте или воздухе. С помощью обоих измерений а) и b) составные части этих перекрестных наводок изменяются относительно друг друга. Возможна также задержка возникновения перекрестных наводок. Передачу осуществляют главным образом в так называемом ближнем поле антенны. Под ближним полем понимают диапазон удаления, который сравним с длиной волны сигнала. В ближнем поле наблюдение можно производить лишь с помощью расширения потенциальных полей; в дальнем поле достаточно объяснения теории излучения. При оценке используют долю сигнала, которая так или иначе всегда присутствует, а именно сигнал, измеренный посредством перекрестных наводок антенн. Это может быть сопряжение через ближнее поле антенны или также поверхностная волна, которая проходит вдоль в структуре печатной платы. В любом случае доли, которые проходят между обеими антеннами весьма концентрированно и также несколько расширяются в пространство в грунте, могут быть оценены с помощью обычных методов обработки сигналов, таких как, например, согласование кривых с помощью функции Гаусса, установка фильтров или окон. Это, однако, нельзя разделить точно. Было установлено, что эта наводка перекрестных связей по отношению к измерению в воздухе изменяется с возможностью воспроизведения при изменении характеристик грунта, а именно, как упоминалось выше, в результате изменения временного положения максимума, амплитуды максимума и ширины распространения.

Как было приведено выше, антенны могут располагаться на носителе, обычно печатной плате. Поскольку антенны должны в первую очередь излучать электромагнитные волны в грунт, они выполнены соответствующим образом с их рабочими поверхностями. Если на приемную антенну поступают доли сигналов, которые были распространены по воздуху на рабочую поверхность противоположно друг другу (в случае печатной платы по воздуху на обращенную к грунту сторону печатной платы), то эти доли присутствуют при обоих измерениях а) и b). В соответствии с особо предпочтительным исполнением изобретения, по меньшей мере, поступающие из атмосферы на радар для сканирования грунта, а также излученные радаром для сканирования грунта в противоположном грунту направлении электромагнитные волны экранируются поглощающими элементами и среднюю скорость сигнала определяют исходя из времени прохождения сигнала между передающей антенной и приемной антенной через грунт и из непосредственной траектории прохождения сигнала в поисковом устройстве при положении b). Такого рода оценка является более точной, поскольку распространяющиеся по воздуху доли сигнала при измерении а) подавляются в основном наполовину, а при измерении b) подавляются полностью. Определение диэлектрической проницаемости осуществляют с помощью встроенного в поисковое устройство блока управления и вычисления. Использование поглощающих элементов в случае радара для сканирования грунта является как таковое распространенной мерой, причем в поглощающих элементах известным образом выполняют полые пространства для поглощения излученных волн. Эти полые пространства ограничены на своих наружных поверхностях поглощающим электромагнитные волны материалом (например, вспененным абсорбером или резиновым абсорбером или абсорбирующим лаком) и/или отражающим материалом (например, металлом). За счет этого, по меньшей мере, одна приемная антенна также не принимает никаких сигналов, которые поступают из атмосферы на радар для сканирования грунта.

С помощью указанного выше способа можно определять, таким образом, относительную диэлектрическую проницаемость грунта подлежащей исследованию области. Если пользователь констатирует в процессе поиска изменение грунта, то для области с измененным грунтом необходимо новое определение измененной диэлектрической проницаемости в соответствии с описанным способом. Тем самым, можно несложно и быстро определять относительную диэлектрическую проницаемость для подлежащей исследованию области, а также учитывать изменения в грунте.

С рассчитанной относительной диэлектрической проницаемостью для подлежащей исследованию области может быть произведено детектирование в соответствии с соответствующим изобретению способом детектирования. Это осуществляют таким образом, что при использовании миноискателя с металлодетектором и радаром для сканирования грунта, причем металлодетектор содержит, по меньшей мере, одну поисковую катушку с плоскостью катушки, которую при поиске следует перемещать параллельно грунту, и радар для сканирования грунта оснащен антенной конструкцией с, по меньшей мере, одной передающей антенной и одной приемной антенной, сначала для участка грунта, репрезентативного для подлежащего исследованию грунта, выполняют измерения для определения относительной диэлектрической проницаемости ε_R в соответствии с описанным выше. После определения относительной диэлектрической проницаемости на основании этого может быть назначен диапазон измерительной частоты с учетом зависимого от частоты затухания и определена зависимая от грунта глубина измерения, которую выводят на индикацию предпочтительно с помощью соответствующего индикатора. Как уже было указано, при увеличении относительной диэлектрической проницаемости происходит также зависимое от частоты увеличение поглощения излученных в грунт электромагнитных волн. В этом отношении необходимо посредством оптической индикации указать на то, какие максимальные глубины при какой граничной частоте и при каком усилении он может детектировать. В завершение выше подлежащего исследованию грунта вдоль подлежащего исследованию пути проводят измерения для обнаружения находящихся в грунте мин. При этом за счет одновременного излучения сигналов поисковой катушкой и, по меньшей мере, одной передающей антенной и приема излученных поисковой катушкой импульсов и принятых, по меньшей мере, одной приемной антенной сигналов, излученных, по меньшей мере, одной передающей антенной, обычным образом с помощью расположенного в поисковом устройстве блока управления и вычисления составляют профиль грунта. На основании профиля грунта определяют размер и глубину находящегося в грунте объекта и при распознавании обнаруженного в грунте объекта производится выдача оптического и/или акустического сигнала. Движение поискового устройства вблизи грунта соответствует обычному процессу поиска мин, при котором поисковый прибор направляют над грунтом как можно ближе к грунту и не касаясь его. Сигналы, принятые при измерении над грунтом, обрабатывают с помощью обычных и известных способов обработки и оценки сигналов, в то время как на основании отдельных, зависимых от времени нахождении над траекторией детектирования сигналов составляют (цветовой) профиль параметров глубины, который известным образом при наличии находящихся в грунте пространственно ограниченных (не являющихся плоскими) объектов содержит гиперболические характеристики, в результате чего на их основании можно определить глубину и размер объекта. Точка вершины соответствующей гиперболы указывает глубину расположения, а ширина гиперболы указывает приблизительную форму и размер объекта. Предпочтительно на основании этого, с одной стороны, может быть выдан акустический сигнал, указывающий на наличие объекта в полнее определенном месте, и, с другой стороны, на устройство индикации в форме дисплея может быть выведено графическое изображение.

Целесообразным образом для радара для сканирования грунта используют частоту передачи между 400 МГц и 3 ГГц.

С помощью соответствующего изобретению способа для определения относительной диэлектрической проницаемости ε_R пользователь может максимально быстро и привычным образом произвести калибровку поискового устройства применительно к особенностям грунта подлежащей исследованию области. С помощью соответствующего изобретению способа детектирования, в основе которого лежит определенная относительная диэлектрическая проницаемость, в распоряжение пользователя поискового устройства предоставляются важные для поиска и необходимые для детектирования данные. Тем самым, существенно упрощается обслуживание поискового устройства пользователем, так как после определения диэлектрической проницаемости ему выводится на индикацию информация о том, каким образом он с учетом затухания электромагнитных волн в грунте должен регулировать граничную частоту для измерения, а также усиление, чтобы добиться возможности детектирования объектов на нужной для него глубине. При этом он получает также визуальную информацию о том, какая максимальная глубина вообще может быть детектирована на основании определенной диэлектрической проницаемости.

Способ определения относительной диэлектрической проницаемости ε_R в подлежащем исследованию на предмет наличия мин грунте с использованием поискового устройства. Техническим результатом является повышение точности определения относительной диэлектрической проницаемости грунта для более точной оценки глубины расположения предмета в грунте. Технический результат достигается тем, что в поисковом устройстве используется, по меньшей мере, одна поисковая катушка, одна передающая и одна приемная антенны, определяют среднюю скорость сигнала, измеряя время прохождения сигнала по воздуху и непосредственно через грунт, затем проводят аналогичные измерения, экранируя излучение в направлении, противоположном грунту. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

1. Способ определения относительной диэлектрической проницаемости ε_R грунта, подлежащего исследованию на предмет наличия металлических и неметаллических предметов, с использованием поискового устройства с, по меньшей мере, одной поисковой катушкой и с радаром для сканирования грунта с, по меньшей мере, одной передающей антенной и, по меньшей мере, одной приемной антенной, отличающийся тем, что проводят измерения для репрезентативного участка подлежащего исследованию грунта, в который с помощью поискового устройства, по меньшей мере, одной передающей антенной излучают сигнал передачи и с помощью, по меньшей мере, одной приемной антенны принимают приемный сигнал и измеряют прошедшее время, если поисковый прибор своей активной для поиска стороной

а) обращен от грунта,

b) лежит на грунте;

определяют среднюю скорость сигнала на основании времени прохождения сигнала по воздуху и через прямую соединительную траекторию в поисковом устройстве между передающей антенной и приемной антенной при положении а);

определяют среднюю скорость сигнала на основании времени прохождения сигнала между передающей антенной и приемной антенной, по меньшей мере, через грунт и через прямую соединительную траекторию в поисковом устройстве при положении b); и

определяют относительную диэлектрическую проницаемость ε_R из соотношения обеих средних скоростей сигнала в соответствии с измерениями а) и b).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, поступающие из атмосферы на радар для сканирования грунта, а также излученные радаром для сканирования грунта в противоположном грунту направлении электромагнитные волны экранируют с помощью поглощающих элементов и среднюю скорость сигнала определяют на основании времени прохождения сигнала между передающей антенной и приемной антенной через грунт и на основании непосредственной траектории прохождения сигнала в поисковом устройстве при положении b).

3. Способ детектирования для обнаружения металлических и неметаллических предметов в грунте с использованием миноискателя (1) с металлодетектором и радаром для сканирования грунта, причем металлодетектор имеет, по меньшей мере, одну поисковую катушку (5) с плоскостью катушки, которую при поиске следует перемещать параллельно земле, а радар для сканирования грунта оснащен антенной конструкцией (6) с, по меньшей мере, одной передающей антенной и, по меньшей мере, одной приемной антенной, отличающийся тем, что сначала для репрезентативного участка подлежащего исследованию грунта проводят измерения для определения относительной диэлектрической проницаемости ε_R согласно п. 1 или 2;

определенную относительную диэлектрическую проницаемость придают определенному диапазону измерительной частоты с учетом зависимого от частоты затухания и определяют максимальную, зависимую от частоты и от грунта глубину измерения и с помощью подходящего устройства индикации выводят ее на индикацию; и

вблизи грунта выше подлежащего исследованию грунта вдоль подлежащего исследованию пути выполняют измерения для обнаружения находящихся в грунте мин, причем при помощи одновременного излучения сигналов поисковой катушкой и, по меньшей мере, одной передающей антенной и приема излученных поисковой катушкой импульсов и сигналов, излученных, по меньшей мере, одной передающей антенной и принятых с помощью, по меньшей мере, одной приемной антенны, составляют профиль грунта, на основании которого определяют размер и пространственное положение находящегося в грунте предмета.

4. Способ детектирования по п. 3, отличающийся тем, что определяют и выводят на индикацию приблизительную глубину расположения обнаруженного предмета.

5. Способ детектирования по п. 3 или 4, отличающийся тем, что определяют и выводят на индикацию приблизительный размер обнаруженного предмета.

6. Способ детектирования по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что для радара для сканирования грунта используют частоту передачи между 400 МГц и 3 ГГц.