СПОСОБ ГЛУБИННОЙ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01V3/12 G01S13/88 

Изобретение относится к геофизике и радиофизике и предназначено для исследования подповерхностной структуры почвы и обнаружения объектов до глубин от нескольких десятков метров до нескольких сотен метров и применимо для решения научных, инженерных и геологоразведочных задач в различных областях, таких как геофизика, геология, связь, нефтяная промышленность, строительство, археология, экология.

Известен способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, включающий формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучения передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя-ограничителя, получение волновой формы сигнала методом сравнения с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память (RU 2080622 С1, 27.05.1997).

Недостатком способа является то, что принятый за основной бинарный режим не позволяет в сложных ситуациях производить адекватную интерпретацию полученных данных.

Известно устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее автономный передатчик, включающий последовательно соединенные таймер и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также устройство содержит панель управления, блок памяти и ЖКИ (RU 2080622 С1, 27.05.1997).

Недостатком устройства является небольшой динамический диапазон (менее 100 дБ), что приводит к ограничению значений амплитуд при регистрации волновой формы сигнала, а также к полной потере информации об амплитуде сигнала в режиме бинарных форм.

Известен способ и устройство RU 2244322 С1, 10.01.2005.

В устройстве предусмотрен новый режим регистрации «волновая форма логарифмическая», в которой квантование порога производится по квазилогарифмической шкале (кусочно-линейная аппроксимация), что позволяет добиться динамического диапазона регистрируемых сигналов ~100 дБ (42 дБ дает 7-разрядный АЦП и 56 дБ - управляемый аттенюатор). Каждому пикселю на экране индикатора (в горизонтальном направлении) соответствует квантованное значение порога, поэтому с линейным возрастанием (или уменьшением) от нулевого пикселя номера пикселя амплитуда сигнала возрастает по модулю по экспоненте. Горизонтальный формат кадра имеет 128 пикселей, нулевой пиксель находится в середине, 64 пикселя вправо отображает положительную амплитуду и 64 пикселя влево - отрицательную амплитуду.

Принцип работы состоит в следующем: по оптическому каналу управления 15 включается высоковольтный источник питания 1, при этом начинается заряд накопительного конденсатора 2 и напряжение на конденсаторе 2 постепенно повышается. При достижении на конденсаторе 2 напряжения, соответствующего напряжению пробоя, разрядник 3 замыкает накопительный конденсатор 2 на передающую антенну 4, формируя мощный зондирующий видеоимпульс. Зондирующий импульс от передающей антенны 4 вначале через воздушный промежуток между передающей и приемной антенной, и затем последовательные по времени отраженные от подповерхностных неоднородностей импульсы регистрируются приемной антенной 5, и либо при необходимости ослабляются аттенюатором 6, усиливаются и ограничиваются усилителем-ограничителем 7, либо ослабляются управляемым аттенюатором 6 и усиливаются усилителем-ограничителем 7.

В момент превышения импульсным сигналом на выходе усилителя-ограничителя 7 некоторого порога, выбранного исходя из требования устойчивой работы приемного тракта, запускается тактовый генератор блока синхронизации 11. Тактовые импульсы с выхода блока синхронизации 11, через блок управления 12 поступают на второй вход блока сравнения 8 и служат привязкой во времени процесса сравнения сигналов. Сигнал, пришедший на первый вход блока 8, сравнивается с другим сигналом, уровень порога которого устанавливается либо вручную, либо блоком управления 12. Уровень порога может меняться как по линейной шкале квантования, так и по квазилогарифмической шкале квантования. Превышение порога регистрируется в блоке памяти 9 как двоичная «1», отсутствие превышения - как двоичный «0». Блок управления 12 осуществляет управление выводом информации из блока памяти 9 на двумерный индикатор 10, вывод из блока памяти 9 записанной ранее информации на индикатор 10, перепись информации из блока памяти 9 по последовательному порту с помощью нуль-модемного кабеля в персональный компьютер. Перепись информации происходит под управлением компьютера по протоколу связи либо по отдельным кадрам, либо по совокупности кадров, объединенных в так называемые «трассы-линии».

Недостатком устройства является необходимость посылок как минимум 128 импульсов передатчика для получения волновой формы сигнала в квазилогарифмической шкале при временных задержках 128 нс. При увеличении временных задержек и, следовательно, глубины исследования, количество импульсов необходимых для полноценной интерпретации увеличивается. С учетом фиксированной скорости следования импульсов для генераторов на газовом разряднике из-за конструктивных особенностей, время регистрируемой задержки зондирующего сигнала и, соответственно, глубина зондирования ограничены на уровне схемных решений, что не всегда позволяет реализовать динамический диапазон прибора.

Известны способ и устройство (RU 2490672 С1, 20.08.2013) для реализации регистрации сигналов моноимпульсного георадара - с оцифровкой сигнала за один импульс передатчика с сохранением, как минимум динамического диапазона не менее 140 дБ и с пересылкой информации в компьютер для управления технологией съемки и обработки информации в реальном масштабе времени с визуализацией результата обработки в 4D представлении (3D + время).

Способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности включает формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника или твердотельного генератора, их излучение передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, оцифровку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аналого-цифрового преобразователя с различной величиной усиления, синхронизации и ограничения и передачей информации и запись ее в память компьютера для дальнейшей визуализации и интерпретации с помощью программы обработки. Далее по представленной в виде последовательного ряда волновых форм сигнала в трехмерных координатах - «амплитуда - время задержки - длина профиля» с цветовой кодировкой амплитуды, определяют электромагнитные параметры отраженного сигнала, значения диэлектрической постоянной, проводимости и затухания сигнала в подстилающих слоях, по величине которых судят о наличии подповерхностных объектов и проводят их локализацию в пространстве.

Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержит передатчик, включающий последовательно соединенные таймер, и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике или на твердотельных элементах и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну, ФВЧ, несимметричный делитель, усилитель синхронизации и линейный усилитель. По старту и срабатыванию блока синхронизации производится запись данных на высокоскоростные, многоразрядные (8-16 бит) АЦП и ПЛИС с последующей передачей на ПК.

Недостатком устройства является ограничение динамического диапазона в блоке усилителя синхронизации с линейным усилителем при необходимости подключения передающего устройства большой мощности для увеличения дальности передачи информации, в том числе при необходимости регистрации сигналов при больших разносах приемного и передающего блоков с постоянной и/или изменяющейся базой разноса.

Задачей изобретения является создание способа и устройства для реализации нового режима залповой генерации и/или регистрации сигналов моноимпульсного георадара - с оцифровкой сигнала за один импульс передатчика на всю длину записи каждого единичного сигнала с реализацией возможности увеличения динамического диапазона при изменении мощности передатчика и/или изменении порога регистрации приемника за счет использования последовательного/залпового режима генерации импульсов и усилителей-ограничителей с изменением величины порога при неизменном сформированном синхроимпульсе. Запись данных осуществляется высокоскоростным и многоразрядным АЦП каждого залпа/импульса передатчика с пересылкой информации в компьютер для управления технологией съемки или на карту памяти и обработки информации.

Техническим результатом способа и устройства является повышение глубины исследования материальных сред с помощью электромагнитных сигналов.

Технический результат по способу достигается тем, что в способе радиолокационного зондирования подстилающей поверхности осуществляют залповое формирование зондирующих импульсов с помощью формирователя (5) зондирующих импульсов на газовом разряднике или твердотельном генераторе, излучение их передающей антенной (6), последовательную регистрацию сигналов приемной антенной (7), предварительную обработку сигналов в приемном блоке (8) с помощью фильтра высоких частот (9), несимметричного делителя (10), первого модуля синхронизации (усилителя синхронизации) (12), линейного усилителя (11), второго модуля синхронизации (блока синхронизации) (14) и высокоскоростного высокоразрядного аналого-цифрового преобразователя (13) с получением на выходе последовательного ряда цифровых трехмерных сигналов в виде «амплитуда - время задержки - длина профиля», информация о которых через программируемую логическую интегральную схему (15) передается в блок (16) регистрации.

По старту и срабатыванию блока синхронизации для выбранных порогов усилителя-ограничителя производят запись данных на высокоразрядные высокоскоростные АЦП, далее через ПЛИС информация через кабельное или беспроводное соединение передают непосредственно в персональный компьютер по протоколу обмена данными, где происходит обработка и визуализация информации.

Технический результат по устройству достигается тем, что устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности содержит передатчик (1) с передающей антенной (6), приемный блок (8) с приемной антенной (7) и блок (16) регистрации,

при этом передатчик (1) включает таймер (3) и преобразователь (4) напряжения, подключенные к источнику (2) питания, а также формирователь (5) зондирующих импульсов на газовом разряднике или твердотельном генераторе, подключенный к выходу преобразователя (4) напряжения,

приемный блок (8) включает фильтр (9) высоких частот, к выходам которого подключены несимметричный делитель (10), линейный усилитель (11) и первый модуль синхронизации (12), своими выходами подключенные соответственно к входам аналого-цифрового преобразователя (13), и второй модуль синхронизации (14), а также программируемую логическую интегральную схему (15), своим входом соединенную с выходом аналого-цифрового преобразователя (13), а выходом - с входом второго модуля синхронизации (14), своим выходом соединенного с входом аналого-цифрового преобразователя (13),

блок (16) регистрации включает карту (18) памяти и компьютер (17), соединенный с программируемой логической интегральной схемой (15) приемного блока (8).

На чертеже представлено устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности.

Вариант осуществления изобретения.

Устройство состоит из трех конструктивно раздельных блоков, показанных на чертеже.

Передатчик (1) питается от источника питания (2) и состоит из таймера (3), задающего частоту следования зондирующих импульсов, преобразователя напряжения (4), повышающего напряжение с 10-15 В до 5-100 кВ, и формирователя зондирующего импульса (5) на основе прецизионного газового разрядника или твердотельных элементов. При нажатии кнопки «пуск» режима регистрации заряжается накопительный конденсатор в формирователе зондирующего импульса (5). Напряжение на разряднике постепенно возрастает, наступает пробой разрядника, конденсатор замыкается на передающую антенну (6), формируя мощный зондирующий сверхширокополосный видеоимпульс. При использовании твердотельного генератора процесс аналогичен. Зондирующий импульс первым достигает приемной антенны (7) по воздушному промежутку между антеннами, и по крутому переднему фронту этого импульса формируется синхроимпульс в блоке фильтр высоких частот (9) приемного блока (8), который служит временной привязкой для всего процесса обработки сигнала. Отраженные от подповерхностных объектов сигналы с запаздыванием, в зависимости от удаленности и глубины их нахождения, последовательно попадают на приемную антенну (7). С антенны проходит ФВЧ (9) и далее через несимметричный делитель (10) поступает на линейный усилитель (11) и первый модуль синхронизации (12). В момент превышения импульсным сигналом на выходе усилителя-ограничителя (11) некоторого порога, выбранного исходя из требования устойчивой работы приемного тракта и глубинности исследования, срабатывает второй модуль синхронизации (14), производится оцифровка данных с помощью высокоскоростных, высокоразрядных АЦП (13) и через ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) (15) информация передается в блок регистрации (16) через кабельное или беспроводное соединение по протоколу обмена данными, где накапливается по выбранным регламентам съемки в компьютере (17) либо на запоминающем устройстве или карте памяти (18), обработка и визуализация данных происходит в компьютере (17). Процесс регистрации сигнала в блоке регистрации (16) с изменением величины порога на выходе усилителя ограничителя либо автоматический, либо управляемый с компьютера (17).

В качестве объекта исследования рассматривается полноволновые формы регистрируемого ансамбля залповых импульсов, которые несут всю информацию о подстилающих структурах грунта на всей шкале времени записи регистрируемых волновых форм сигналов без искажения с одинаковой чувствительностью.

Полноволновая форма представляет собой двумерный кадр (амплитуда - время задержки), а составной кадр из последовательного множества полноволновых форм является трехмерным (амплитуда - время задержки - длина профиля). Для обработки полноволновых форм вместо третьей (амплитудной) координаты используются цветовая градация амплитуды сигнала. Количество цветов и цветовая палитра подбирается и вводится в кадр по выбору оператора и позволяет разделять амплитуды сигнала, отличающиеся, например, для 16-ти разрядных АЦП в 65536 раз.

Программное обеспечение позволяет подсоединить GPS или ГЛОНАС навигатор для координатной привязки устройства. Таким образом, каждая полноволновая форма отраженного сигнала имеет координаты для привязки к карте местности. Обработка данных осуществляется с помощью программного обеспечения в реальном времени в виде четырехмерного кадра на карте исследуемой поверхности(координаты точки на карте, глубина, амплитуда поля).

Изобретение применяется в геофизике и предназначено для исследования подповерхностной структуры горных пород и обнаружения объектов до глубины от нескольких сантиметров до несколько сотен метров. Применимо также для решения научных и инженерных задач в различных областях, таких как связь, геология, строительство, археология, коммунальное хозяйство, военная промышленность и т.д.

Группа изобретений относится к области глубинной георадиолокации и может быть использована для исследования подповерхностной структуры почвы и обнаружения объектов на глубинах до нескольких сотен метров. Сущность: устройство содержит передатчик (1) с передающей антенной (6), приемный блок (8) с приемной антенной (7) и блок (16) регистрации. Передатчик (1) включает источник (2) питания, таймер (3), преобразователь (4) напряжения, формирователь (5) зондирующих импульсов на газовом разряднике или твердотельном генераторе. Приемный блок (8) включает модуль (9) фильтра высоких частот, несимметричный делитель (10), линейный усилитель (11), первый модуль (12) синхронизации, аналого-цифровой преобразователь (13), второй модуль (14) синхронизации, программируемую логическую интегральную схему (15). Блок (16) регистрации включает карту (18) памяти и компьютер (17). Технический результат: увеличение глубины исследования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, характеризующийся тем, что осуществляют залповое формирование зондирующих импульсов с помощью формирователя (5) зондирующих импульсов на газовом разряднике или твердотельном генераторе, излучение их передающей антенной (6), последовательную регистрацию сигналов приемной антенной (7), предварительную обработку сигналов в приемном блоке (8) с помощью модуля (9) фильтра высоких частот, несимметричного делителя (10), линейного усилителя (11), первого модуля (12) синхронизации, высокоскоростного высокоразрядного аналого-цифрового преобразователя (13) и второго модуля синхронизации (14) с получением на выходе последовательного ряда цифровых трехмерных сигналов в виде “амплитуда - время задержки - длина профиля”, информация о которых через программируемую логическую интегральную схему (15) передается в блок (16) регистрации.

2. Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, характеризующееся тем, что содержит передатчик (1) с передающей антенной (6), приемный блок (8) с приемной антенной (7) и блок (16) регистрации, при этом передатчик (1) включает таймер (3) и преобразователь (4) напряжения, подключенные к источнику (2) питания, а также формирователь (5) зондирующих импульсов на газовом разряднике или твердотельном генераторе, подключенный к выходу преобразователя (4) напряжения, приемный блок (8) включает модуль (9) фильтра высоких частот, к выходу которого подключен несимметричный делитель (10), к выходам которого подключены входы линейного усилителя (11) и первого модуля синхронизации (12), своими выходами подключенных соответственно к входам аналого-цифрового преобразователя (13) и второго модуля синхронизации (14), а также программируемую логическую интегральную схему (15), своим входом соединенную с выходом аналого-цифрового преобразователя (13), а выходом - с входом второго модуля синхронизации (14), своим выходом соединенного с входом аналого-цифрового преобразователя (13), блок (16) регистрации включает карту (18) памяти и компьютер (17), соединенный с программируемой логической интегральной схемой (15) приемного блока (8).