Радиолокационное зондирование и разрешающая способность. Зависимость разрешающей способности рлс от параметров зондирующих сигналов. Технические средства подповерхостного зондирования

Радиолокационная аппаратура подповерхностного зондирования специально предназначена для проведения таможенного досмотра особой категории объектов: навалочных и наливных грузов, находящихся в железнодорожных вагонах, на платформах, в бункерах, цистернах, контейнерах, трюмах судов (например, зерно, щебень, руда, песок, растительное сырьё, минеральные удобрения, лесоматериалы).

Предметы ТПН могут скрывать в объёме декларированного груза в расчёте на то, что он не будет разгружаться и досматриваться таможенной службой. Тайники и сокрытые вложения в больших по протяжённости и объёму объектах таможенного контроля не могут быть выявлены рентгеновским просвечиванием. А применение оптико-механических средств в этих случаях неэффективно.

Именно поэтому было принято решение о создании специальных технических средств, основанных на принципах радиолокации.

Локация - метод определения местоположения объекта с помощью звуковых или электромагнитных волн. В радиолокации используются радиоволны (то есть электромагнитные излучения метрового или дециметрового диапазонов длин волн).

В технике имеется большое количество различных модификаций радиолокационного метода. Для целей таможенного обследования объектов наиболее подходящей является так называемая активная радиолокация. Рассмотрим её принципы.

Локация основана на следующих свойствах радиоволн:

Постоянство скорости распространения;

Прямолинейность пути распространения;

Фокусировка радиоволн антеннами;

Отражение радиоволн от встречающихся на их пути неоднородностей среды.

В обследуемую среду излучается направленный пучок радиоволн. Если на его пути встречается объект с отличными от среды свойствами, то на его границе может произойти отражение радиоволн. Тогда часть их энергии образует отражённый сигнал, который будет направлен в сторону источника излучения. Наличие отражённого сигнала свидетельствует об обнаружении в среде объекта. Отражённый сигнал регистрируется и по времени его запаздывания (по отношению к излучённому сигналу) вычисляется расстояние до обнаруженного объекта . За время запаздывания радиоволны проходят

расстояние до обнаруженного объекта и обратно. Если известна скорость распространения радиоволн в обследуемой среде, то глубину залегания обнаруженного объекта Н можно вычислить по формуле:

где V - скорость распространения радиоволн в лоцируемой среде;

∆ t - время запаздывания.

Технические средства подповерхостного зондирования

На снабжении таможенных органов Российской Федерации находится малогабаритный радиотехнический прибор подповерхностного зондирования (РППЗ) «Зонд».(Приказ ГТК РФ от 18.05.1999 № 308 о принятии на снабжение таможенных органов российской федерации малогабаритного РППЗ ЗОНД)

Согласно этому приказу ЗОНД - Малогабаритный радиотехнический прибор подповерхностного зондирования является оперативно - техническим средством таможенного контроля и предназначен для обнаружения контрабандных вложений (металлические и неметаллические предметы) в сыпучих, навалочных и однородных грузах, размещаемых в кузовах транспортных средств, железнодорожных вагонах (платформах) и трюмах судов 8 .

Такими грузами могут быть песок, щебень, руда, зерно, растительное и минеральное сырье, лесоматериалы и др., в том числе в пакетированном виде и в таре (мешки, тюки, коробки и пр.).

Не подлежат зондированию грузы, состоящие из металлических изделий, металлолом, а также грузы, упакованные в металлическую (металлизированную) тару. Состав прибора можно описать следующими составляющими:

1. Устройство антенное приемо - передающее (УАПП) I диапазона.

2. Устройство антенное приемо - передающее II диапазона.

3. Устройство обработки, управления и индикации (летний / зимний вариант).

4. Складная штанга - ручка.

5. Аккумуляторная батарея (емкость 1,2 А/ч и 3,5 А/ч).

6. Комплект ЗИП-0 (индивидуальный).

7. Эксплуатационная документация.

9. Упаковка 9 .

Основными техническими характеристиками являются:

1. Глубина зондирования (обнаружения), м не менее 3

2. Точность определения глубины залегания обнаруживаемого предмета, м не хуже 0,1

3.Разрешающая способность при обнаружении металлических предметов, м не хуже 0,1

4. Скорость перемещения УАПП над поверхностью зондируемого груза, м/с не более 1

5. Рабочая частота, МГц 700,0 и 1200,0

б.Емкость внутреннего запоминающего устройства, Мбайт не менее 3,5

7. Мощность излучения передающего устройства, Вт

I диапазона не менее 150

II диапазона не менее 8

8. Длительность зондирующего импульса, не 1,5

9. Частота повторения зондирующих импульсов, кГц 25 - 50

10. Чувствительность приемного устройства, мкВ не хуже 300

11. Время непрерывной работы (с двумя автономными источниками питания), час. не менее 8

12. Диапазон рабочих температур, град. С от -20 до +45

13. Вес РППЗ (летний / зимний вариант), кг 3,5 / 4,5

14. Срок службы, лет 5 10

5. Интроскопическая техника: - - досмотровая рентгеновскаятехника - инспекционно- досмотровые комплексы

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием одиночных сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов и может быть использовано при зондировании нескольких, близкорасположенных объектов, например слоев асфальтового покрытия. Способ заключается в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал, интегрируют его N-1 раз в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности разрешающей способности СШП зондирования. 6 ил.

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов длительностью Т и может быть использовано при зондировании нескольких объектов, расстояние между которыми L сопоставимо с сТ, где с - скорость света в среде, т.е. в условиях, когда сигналы, отраженные от нескольких объектов исследования, накладываются друг на друга. Такая проблема возникает, например, при зондировании подповерхностных слоев грунта, в частности многослойного асфальтового покрытия дорог.

Известно , стр.24, что любой сигнал S(t), который может быть излучен антенной, должен удовлетворять условию: в том числе одиночный многолепестковый зондирующий радиолокационный СШП сигнал.

При СШП радиолокационном зондировании нескольких близкорасположенных объектов исследования возникает проблема разрешения сигналов, принятых от одного и другого объектов. Эта проблема усугубляется наличием помех, несовершенством приемо-передающей аппаратуры и множеством других факторов.

Традиционным способом предварительной обработки радиолокационного сигнала, отраженного от объекта исследования, является его детектирование - выделение низкочастотной функции - амплитудной (комплексной) огибающей радиоимпульса. При работе с СШП сигналами амплитудная огибающая СШП сигнала, полученная при помощи преобразования Гильберта, не всегда корректно отображает особенности его формы стр.17. При этом не реализуется потенциально высокая разрешающая способность СШП сигналов.

Известен Патент RU 2141674 - способ радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, одной антенной излучают импульс, принимают этот импульс другой - удаленной антенной, принятый импульс задерживают, переизлучают и принимают антенной, расположенной в месте первичного излучения. Этот способ позволяет разнести во времени сигналы, полученные от антенны и от окружающих ее конструктивных элементов. При таком способе проблема разрешения решается за счет временного разнесения отраженных сигналов.

Недостатком такого способа является ограниченная область применения, связанная с тем, что возможность искусственного разнесения во времени отраженных сигналов от нескольких объектов исследования возникает редко.

Наиболее близким к заявляемому способу является , заключающийся в том, что излучают N-лепестковый, зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Для решения задачи разрешения определяют:

Сигнал прямого прохождения от излучающей к приемной антенне (при зондировании открытого пространства), который вычитают из принятого сигнала при последующих зондированиях среды;

Сигнал полного отражения при зондировании металлического листа, который используют для калибровки последующих зондирований.

Из сигнала, полученного от объектов исследований, вычитают сигнал прямого прохождения. Затем поочередно обнаруживают наиболее близкий отклик, и с учетом ослабления известного сигнала полного отражения вычитают его из принятого сигнала. Таким образом, теоретически возможно разрешить принятые сигналы.

Недостатком данного способа является низкая точность. Во-первых, сигнал, прошедший через среду, изменяет частотный спектр, а следовательно, не только амплитуду, но и свою форму. В результате оказывается неправомочным использовать сигнал полного отражения в качестве калибровочного. Во-вторых, рекурсивный характер обработки, при котором каждый новый объект обнаруживается по результатам обнаружения предыдущего, приводит к накоплению ошибок.

Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение разрешающей способности СШП зондирования, отраженных от близкорасположенных объектов, а следовательно, получение большего количества и лучшего качества информации от радиолокационного зондирования.

Для решения поставленной задачи в способе повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающемся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования, интегрируют отраженный сигнал в выбранном временном окне N-1 раз, и используют результаты интегрирования для обнаружения и оценки сигналов от объектов исследования.

Существенным отличием заявляемого способа от прототипа является то, что при зодндировании N-лепестковым радиоимпульсом интегрируют отраженный сигнал в выбранном временном окне N-1 раз.

В прототипе используют операцию вычитания известных откликов из принятого сигнала.

Использование N-1 кратного интегрирования - линейного метода преобразования принимаемых сигналов, позволяет преобразовать их многолепестковую временную структуру в однолепестковую. На фиг.1 показано, что трехлепестковый радиоимпульс после однократного зондирования становится двухлепестковым, а после второго интегрирования - однолепестковым. Если бы такой импульс мог быть излучен антенной, то задача разрешения близкорасположенных объектов значительно упростилась. Интегрирование принятого сигнала для линейной системы эквивалентно интегрированию входного сигнала. Таким образом, интегрирование выходного сигнала значительно упрощает разрешение близкорасположенных объектов.

Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы.

Фиг.1 - результаты последовательного интегрирования трех лепесткового сигнала.

Фиг.2 - парциальные сигналы, отраженные от трех объектов.

Фиг.3 - суммарный сигнал, отраженный от трех объектов.

Фиг.4 - результат однократного интегрирования отраженного сигнала.

Фиг.5 - результат двухкратного интегрирования отраженного сигнала.

Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.

При радиолокационном зондировании могут использоваться одиночные радиоимпульсы с малым числом временных лепестков N=2-5, например трехлепестковый импульс S(t), изображенный на фиг.1. Такие сигналы обладают СШП спектром. Их обработка возможна в частотной или во временной области. В обоих случаях необходимо обнаружить сигналы, отраженные от объектов исследования, оценить их амплитуду, полярность, временное положение и другие параметры. Такие зондирования используются, например, при исследовании слоев дорожного покрытия. При этом объектами исследования являются границы слоев покрытия, отражающие зондирующий сигнал и обладающие разными диэлектрическими проницаемостями ε. В зависимости от соотношения диэлектрических проницаемостей ε сред отраженные сигналы могут иметь разную полярность.

Если объекты исследования (слои дорожного покрытия) расположены близко друг от друга, то отраженные сигналы накладываются друг на друга. На фиг.2 показаны парциальные сигналы S 3i (t), (i=1, 2, 3), отраженные от трех разных слоев. Каждый из них имеет свою амплитуду и форму. Сигнал S 32 (t) имеет обратную полярность. Суммарный отраженный сигнал S 3 (t)=S 31 (t)+S 32 (t)+S 33 (t), фиг.3, малопригоден для анализа. Для решения задачи разрешения можно уменьшить длительность зондирующего сигнала S(t), однако это приведет к неоправданному возрастанию стоимости разработки или к технической нереализуемости.

Однократное интегрирование отраженного от объектов сигнала фиг.4 не решает проблему разрешения, а повторное интегрирование фиг.5, позволяет достаточно точно оценить, как временное положение, полярность и амплитуду отраженных сигналов. Указанная оценка может быть получена визуально или с использованием компьютера.

Заметим, что при помощи предлагаемого линейного преобразования восстановление соотношения амплитуд парциальных сигналов и расстояния между ними возможно даже в случае, когда сигналы задержаны относительно друг друга на время, меньшее длительности периода центральной гармоники спектра сигнала, т.е. в условиях реализации потенциальной разрешающей способности по дальности .

Таким образом, заявляемый способ позволяет при СШП радиолокационном зондировании обнаружить объекты исследования, приближаясь к потенциальной разрешающей способности.

Рассмотрим возможность практической реализации заявляемого способа. На фиг.6 изображена схема устройства, реализующего заявляемый способ, где:

1. Генератор СШП сигнала.

2. Передающая антенна.

3. Приемная антенна.

4. Исследуемая многослойная среда.

5. Стробоскопический приемник.

6. Управляемая линия задержки.

7. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

8. Компьютер.

По сигналу от компьютера 8 запускается генератор СШП сигнала 1, который излучается антенной 2. СШП сигнал, отраженный от исследуемой многослойной среды 4, поступает в антенну 3. Управляемая компьютером 8 линия задержки 6 запускает стробоскопический приемник 5, который выделяет одну мгновенную амплитуду отраженного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь 7 преобразует эту величину в код, который считывается компьютером 8. Частота запуска генератора 1 может составлять десятки килогерц, что не требует высокого быстродействия АЦП 7. Величина задержки 6 задает окно приема и положения точки отсчета в нем. Многократно повторяя измерения, можно усреднить значения этого отсчета отраженного сигнала, а изменяя величину задержки, - получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне с точностью до масштабно-временного преобразования. Таким образом, в результате многократного зондирования в памяти компьютера 8 сохраняются мгновенные амплитуды отраженного сигнала в окне приема. Интегрирование полученных цифровых отсчетов производится путем последовательного суммирования отсчетов, а многократное - последовательным применением этой процедуры. На фиг.1-5 по оси абсцисс отложены номера отсчетов СШП сигнала. Полученные результаты интегрирования могут быть обработаны оператором визуально, либо известными методами обработки в компьютере 8.

Таким образом, предлагаемый способ технически реализуем и позволяет повысить разрешающую способность радиолокационного сверхширокополосного зондирования.

Список использованной литературы

1. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М.: Радио и связь, 1989. - 192 с.: ил.

2. Патент RU 2141674.

3. Патент FR 2626666.

4. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е.Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.

Способ повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, где N=2, 3, 4, 5..., непрерывно принимают отраженные сигналы в выбранном временном окне, обнаруживают сигналы от объектов исследования, измеряют и оценивают параметры сигналов, отраженных от объектов исследования, отличающийся тем, что зондирование объекта исследования N-лепестковым радиоимпульсом осуществляют многократно, при приеме отраженных сигналов управляемой величиной задержки задают окно приема с возможностью получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне и положения точки отсчета в нем, интегрируют полученные отсчеты отраженного сигнала в выбранном временном окне приема N-1 раз, преобразуя N-лепестковую временную структуру сигнала в однолепестковую, обеспечивающую разрешение близкорасположенных объектов исследования, используют результаты интегрирования для обнаружения объектов исследования, измерения и оценки параметров сигналов от объектов исследования.

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике, преимущественно к радиолокации стационарных объектов, и, в частности, может быть использовано для подповерхностного зондирования.

Изобретение относится к ближней радиолокации и может использоваться в системах автономного управления движением взаимодействующих объектов для измерения на ограниченных расстояниях угла встречи сосредоточенной воздушной цели при помощи активного радиолокатора, расположенного на летательном аппарате.

Изобретение относится к ближней радиолокации и может использоваться для измерения угла встречи летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью в устройствах автономного управления движением взаимодействующих объектов на ограниченных расстояниях.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах пассивного радиоконтроля для идентификации, пеленгации и определения местоположения наземных и воздушных объектов по излучениям их ДКМВ передатчиков при использовании одной приемной станции.

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием одиночных сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов и может быть использовано при зондировании нескольких, близкорасположенных объектов, например слоев асфальтового покрытия. Способ заключается в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал, интегрируют его N-1 раз в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности разрешающей способности СШП зондирования. 6 ил.

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов длительностью Т и может быть использовано при зондировании нескольких объектов, расстояние между которыми L сопоставимо с сТ, где с - скорость света в среде, т.е. в условиях, когда сигналы, отраженные от нескольких объектов исследования, накладываются друг на друга. Такая проблема возникает, например, при зондировании подповерхностных слоев грунта, в частности многослойного асфальтового покрытия дорог.

Известно , стр.24, что любой сигнал S(t), который может быть излучен антенной, должен удовлетворять условию:

В том числе одиночный многолепестковый зондирующий радиолокационный СШП сигнал.

При СШП радиолокационном зондировании нескольких близкорасположенных объектов исследования возникает проблема разрешения сигналов, принятых от одного и другого объектов. Эта проблема усугубляется наличием помех, несовершенством приемо-передающей аппаратуры и множеством других факторов.

Традиционным способом предварительной обработки радиолокационного сигнала, отраженного от объекта исследования, является его детектирование - выделение низкочастотной функции - амплитудной (комплексной) огибающей радиоимпульса. При работе с СШП сигналами амплитудная огибающая СШП сигнала, полученная при помощи преобразования Гильберта, не всегда корректно отображает особенности его формы стр.17. При этом не реализуется потенциально высокая разрешающая способность СШП сигналов.

Известен Патент RU 2141674 - способ радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, одной антенной излучают импульс, принимают этот импульс другой - удаленной антенной, принятый импульс задерживают, переизлучают и принимают антенной, расположенной в месте первичного излучения. Этот способ позволяет разнести во времени сигналы, полученные от антенны и от окружающих ее конструктивных элементов. При таком способе проблема разрешения решается за счет временного разнесения отраженных сигналов.

Недостатком такого способа является ограниченная область применения, связанная с тем, что возможность искусственного разнесения во времени отраженных сигналов от нескольких объектов исследования возникает редко.

Наиболее близким к заявляемому способу является , заключающийся в том, что излучают N-лепестковый, зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Для решения задачи разрешения определяют:

Сигнал прямого прохождения от излучающей к приемной антенне (при зондировании открытого пространства), который вычитают из принятого сигнала при последующих зондированиях среды;

Сигнал полного отражения при зондировании металлического листа, который используют для калибровки последующих зондирований.

Из сигнала, полученного от объектов исследований, вычитают сигнал прямого прохождения. Затем поочередно обнаруживают наиболее близкий отклик, и с учетом ослабления известного сигнала полного отражения вычитают его из принятого сигнала. Таким образом, теоретически возможно разрешить принятые сигналы.

Недостатком данного способа является низкая точность. Во-первых, сигнал, прошедший через среду, изменяет частотный спектр, а следовательно, не только амплитуду, но и свою форму. В результате оказывается неправомочным использовать сигнал полного отражения в качестве калибровочного. Во-вторых, рекурсивный характер обработки, при котором каждый новый объект обнаруживается по результатам обнаружения предыдущего, приводит к накоплению ошибок.

Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение разрешающей способности СШП зондирования, отраженных от близкорасположенных объектов, а следовательно, получение большего количества и лучшего качества информации от радиолокационного зондирования.

Для решения поставленной задачи в способе повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающемся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования, интегрируют отраженный сигнал в выбранном временном окне N-1 раз, и используют результаты интегрирования для обнаружения и оценки сигналов от объектов исследования.

Существенным отличием заявляемого способа от прототипа является то, что при зодндировании N-лепестковым радиоимпульсом интегрируют отраженный сигнал в выбранном временном окне N-1 раз.

В прототипе используют операцию вычитания известных откликов из принятого сигнала.

Использование N-1 кратного интегрирования - линейного метода преобразования принимаемых сигналов, позволяет преобразовать их многолепестковую временную структуру в однолепестковую. На фиг.1 показано, что трехлепестковый радиоимпульс после однократного зондирования становится двухлепестковым, а после второго интегрирования - однолепестковым. Если бы такой импульс мог быть излучен антенной, то задача разрешения близкорасположенных объектов значительно упростилась. Интегрирование принятого сигнала для линейной системы эквивалентно интегрированию входного сигнала. Таким образом, интегрирование выходного сигнала значительно упрощает разрешение близкорасположенных объектов.

Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы.

Фиг.1 - результаты последовательного интегрирования трех лепесткового сигнала.

Фиг.2 - парциальные сигналы, отраженные от трех объектов.

Фиг.3 - суммарный сигнал, отраженный от трех объектов.

Фиг.4 - результат однократного интегрирования отраженного сигнала.

Фиг.5 - результат двухкратного интегрирования отраженного сигнала.

Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.

При радиолокационном зондировании могут использоваться одиночные радиоимпульсы с малым числом временных лепестков N=2-5, например трехлепестковый импульс S(t), изображенный на фиг.1. Такие сигналы обладают СШП спектром. Их обработка возможна в частотной или во временной области. В обоих случаях необходимо обнаружить сигналы, отраженные от объектов исследования, оценить их амплитуду, полярность, временное положение и другие параметры. Такие зондирования используются, например, при исследовании слоев дорожного покрытия. При этом объектами исследования являются границы слоев покрытия, отражающие зондирующий сигнал и обладающие разными диэлектрическими проницаемостями ε. В зависимости от соотношения диэлектрических проницаемостей ε сред отраженные сигналы могут иметь разную полярность.

Если объекты исследования (слои дорожного покрытия) расположены близко друг от друга, то отраженные сигналы накладываются друг на друга. На фиг.2 показаны парциальные сигналы S 3i (t), (i=1, 2, 3), отраженные от трех разных слоев. Каждый из них имеет свою амплитуду и форму. Сигнал S 32 (t) имеет обратную полярность. Суммарный отраженный сигнал S 3 (t)=S 31 (t)+S 32 (t)+S 33 (t), фиг.3, малопригоден для анализа. Для решения задачи разрешения можно уменьшить длительность зондирующего сигнала S(t), однако это приведет к неоправданному возрастанию стоимости разработки или к технической нереализуемости.

Однократное интегрирование отраженного от объектов сигнала

Фиг.4 не решает проблему разрешения, а повторное интегрирование

Фиг.5, позволяет достаточно точно оценить, как временное положение, полярность и амплитуду отраженных сигналов. Указанная оценка может быть получена визуально или с использованием компьютера.

Заметим, что при помощи предлагаемого линейного преобразования восстановление соотношения амплитуд парциальных сигналов и расстояния между ними возможно даже в случае, когда сигналы задержаны относительно друг друга на время, меньшее длительности периода центральной гармоники спектра сигнала, т.е. в условиях реализации потенциальной разрешающей способности по дальности .

Таким образом, заявляемый способ позволяет при СШП радиолокационном зондировании обнаружить объекты исследования, приближаясь к потенциальной разрешающей способности.

Рассмотрим возможность практической реализации заявляемого способа. На фиг.6 изображена схема устройства, реализующего заявляемый способ, где:

1. Генератор СШП сигнала.

2. Передающая антенна.

3. Приемная антенна.

4. Исследуемая многослойная среда.

5. Стробоскопический приемник.

6. Управляемая линия задержки.

7. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

8. Компьютер.

По сигналу от компьютера 8 запускается генератор СШП сигнала 1, который излучается антенной 2. СШП сигнал, отраженный от исследуемой многослойной среды 4, поступает в антенну 3. Управляемая компьютером 8 линия задержки 6 запускает стробоскопический приемник 5, который выделяет одну мгновенную амплитуду отраженного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь 7 преобразует эту величину в код, который считывается компьютером 8. Частота запуска генератора 1 может составлять десятки килогерц, что не требует высокого быстродействия АЦП 7. Величина задержки 6 задает окно приема и положения точки отсчета в нем. Многократно повторяя измерения, можно усреднить значения этого отсчета отраженного сигнала, а изменяя величину задержки, - получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне с точностью до масштабно-временного преобразования. Таким образом, в результате многократного зондирования в памяти компьютера 8 сохраняются мгновенные амплитуды отраженного сигнала в окне приема. Интегрирование полученных цифровых отсчетов производится путем последовательного суммирования отсчетов, а многократное - последовательным применением этой процедуры. На фиг.1-5 по оси абсцисс отложены номера отсчетов СШП сигнала. Полученные результаты интегрирования могут быть обработаны оператором визуально, либо известными методами обработки в компьютере 8.

Таким образом, предлагаемый способ технически реализуем и позволяет повысить разрешающую способность радиолокационного сверхширокополосного зондирования.

Список использованной литературы

1. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М.: Радио и связь, 1989. - 192 с.: ил.

2. Патент RU 2141674.

3. Патент FR 2626666.

4. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е.Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.

Формула изобретения

Способ повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, где N=2, 3, 4, 5..., непрерывно принимают отраженные сигналы в выбранном временном окне, обнаруживают сигналы от объектов исследования, измеряют и оценивают параметры сигналов, отраженных от объектов исследования, отличающийся тем, что зондирование объекта исследования N-лепестковым радиоимпульсом осуществляют многократно, при приеме отраженных сигналов управляемой величиной задержки задают окно приема с возможностью получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне и положения точки отсчета в нем, интегрируют полученные отсчеты отраженного сигнала в выбранном временном окне приема N-1 раз, преобразуя N-лепестковую временную структуру сигнала в однолепестковую, обеспечивающую разрешение близкорасположенных объектов исследования, используют результаты интегрирования для обнаружения объектов исследования, измерения и оценки параметров сигналов от объектов исследования.

Краткое описание и примеры применения метода

Метод георадиолокационного подповерхностного зондирования (в общепринятой терминологии — георадиолокация, в англоязычной литературе этот метод называется «Ground Penetrating Radar» или GPR.) основан на изучении распространения электромагнитных волн в среде. Идея метода в излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различие по диэлектрической проницаемости. . Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами (уровень грунтовых вод), контакты между породами различного литологического состава, между породой и материалом искусственного сооружения, между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными и рыхлыми породами и т.д. (схема образования волновой картины представлена на рис.).

Схема образования дифрагированной электромагнитной волны от трубы, залегающей на глубине Н и волны, отраженной от границы раздела сред с разными диэлектрическими проницаемостями: глубинный (а.) и временной (б.) разрезы.

Все задачи, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две большие группы с характерными для каждой группы методиками исследований, способами обработки, типами отображения объектов исследования в поле электромагнитных волн и представления результатов. Первая группа включает в себя геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические задачи, такие как картирование:

• поверхности коренных пород под рыхлыми осадками;
• уровня грунтовых вод и границ между слоями с различной степенью водонасыщения;
• песка, глины, торфа и т.д.;
• мерзлых грунтов;
• определение мощности водного слоя и картирование поддонных отложений;
• толщины льда и снега.

Вторая группа задач включает в себя поиск локальных объектов, обследование инженерных сооружений, нарушение штатной ситуации, например:

• поиск подземных полостей;
• обследование мостов и дорожного покрытия;
• картирование коммуникаций(трубопроводов и кабелей);
• обследование бетонных конструкций;
• засоленных почв;
• участков разреза с нарушенным естественным залеганием грунта — рекультивированных земель, засыпанных выемок.

Т.о. в настоящее время георадар широко применяется в исследованиях при относительно небольшой глубине залегания целевых объектов(0 .2 — 15 метров) за исключением изучения ледников и мерзлых пород, в которых, благодаря высоким сопротивлениям, глубинность повышается.

Георадар — цифровой, портативный, переносимый одним оператором геофизический прибор, предназначенный для решения широкого спектра геотехнических, геологических, экологических, инженерных и других задач, где есть необходимость оперативного мониторинга среды, получения разрезов грунта, не требующих бурения или раскопок. Во время зондирования оператор в реальном времени получает информацию на дисплее в виде радиолокационного профиля(называемого радарограммой). Одновременно данные записываются на жесткий диск компьютера для дальнейшего использования (обработка, распечатка на принтере, интерпретация и т.д.).

Набор сменных антенных модулей обеспечивает возможность зондирования в большом диапазоне частот(16 - 2000 МГц). Применение той или иной антенной системы определяется решаемой при зондировании задачей. Повышение частоты зондирования приводит к улучшению разрешающей способности; но при этом увеличивается затухание электромагнитной волны в среде, что приводит к уменьшению глубины зондирования; и наоборот, снижением частоты можно добиться увеличения глубины зондирования, но за это придется заплатить ухудшением разрешающей способности. Кроме того, со снижением частоты увеличивается зона начальной нечувствительности (т.н. мертвая зона) георадара.

Ниже приведена таблица зависимости разрешающей способности, мертвой зоны и глубины зондирования в зависимости от применяемой антенны. Предполагается, что зондируется грунт с относительной диэлектрической проницаемостью равной 4 и удельным затуханием 1-2 дБ/метр. Под глубинностью имеется в виду глубина обнаружения плоской границы с коэффициентом отражения 1. Следует иметь в виду, что эти данные весьма приблизительны, они сильно зависят от параметров зондируемой среды.

Параметр	Центральная частота
	2 ГГц	900 МГц	500 МГц	300 МГц	150 МГц	75 МГц	38 МГц
Разрешение, м	0.06 — 0.1	0.2	0.5	1.0	1.0	2.0	4.0
Мертвая зона, м	0.08	0.1-0.2	0.25-0.5	0.5-1.0	1.0	2.0	4.0
Глубинность, м	1.5-2	3-5	7-10	10-15	7-10	10-15	15-30

Современные георадары сконструированы для работы в труднодоступных районах с неблагоприятным климатом и могут применяться в любое время года(рабочая температура георадара -20…+40°С).

Ниже приведены примеры применения метода при решении некоторых(очень немногих) задач.

	Обнаружение трех металлических труб, зарытых в землю на глубину 1 — 1.5 метра. Каждая труба дает траекторный сигнал в виде гиперболы, вершина которой соответствует ее местоположению. Частота зондирования 900 МГц. Место зондирования — около г. Даугавпилс, Латвия.
	Обнаружение карстовой полости в известняке под слоем суглинка. Полость(обведена окружностью) видна в левой части профиля в виде чередующихся полос. Суглинок отображен вверху как непрерывный сигнал. Частота зондирования 300 МГц. Место зондирования — берег Мертвого Моря, Израиль.
	Зондирование кирпичной стены. В середине профиля четко виден сигнал от встроенного в стену металлического шкафа. Частота зондирования 2 ГГц. Место зондирования — г.Рига, Латвия.
	Профилирование озера со дна пластиковой лодки. Использовалась 500 МГц экранированная антенна. В иле очень хорошо видны металлические объекты(на рисунке обозначены МО).
	Этот профиль получен при зондировании стены штрека соляной шахты. Хорошо видны сигналы в виде множества гипербол от соседнего штрека. Расстояние между штреками примерно 7.5 метров. Частота зондирования 500 МГц. Место зондирования — г. Мирный, Россия.

30 /11
2018

Применение лазерного сканирования при информационном моделировании зданий

Современные задачи, возникающие при проектировании, строительстве, эксплуатации зданий и сооружений требуют представления данных в трёхмерном пространстве, с высокой точностью и полнотой описывающих взаимное расположение частей зданий, сооружений, ситуацию и рельеф.

Радиолокационный метод исследований отложений торфа и сапропеля 5.Применение подповерхностной радиолокации для изучения отложений торфа и сапропеля.
5.1.Методика полевых работ.

Полевые работы 1980-86 гг. по радиолокационному исследованию месторождений торфа и сапропеля проводились при участии автора и по разработанной им методике /23/. За основу был взят опыт радиолокационных профильных съемок, разработанных в РКИИГА, и зондировании, применяемых в ААНИИ.

Методика радиолокационных исследований предусматривает комплексирование двух самостоятельных методов подповерхностной радиолокации, а именно: метод радиолокационного зондирования и метод радиолокационного профилирования. Различия между этими методами состоит в том, что профилирование проводятся вдоль маршрута исследования при неизменном расстоянии между приемной и передающей антеннами. Радиолокационное зондирование предусматривает постепенное увеличение разноса между антеннами в противоположные стороны от точки исследования. Зондирование, по существу, является электроразведочным аналогом МОВ.

Радиолокационное профилирование является основным методом разведки торфяных месторождений. На практике используется две модификации метода: непрерывное и дискретное радиолокационное профилирование. Непрерывное профилирование проводится путем перемещения антенных систем и прибора по маршруту исследования равномерно, без остановок. Для транспортировки обычно используется гусеничный транспортер ГАЗ-71 или снегоход типа "Буран". На небольших, до 500 метров, участках месторождения возможно проведение непрерывного профилирования с использованием носимой модификации георадара С-023. Дискретное профилирование применяется только при невозможности использование транспортных средств, заключается в измерении времен прихода отраженных сигналов и их записи в отдельных точках маршрута исследования. При этом шаг профилирования обычно составляет 10-25метров.

Последовательность работ при разведке торфяного месторождения с применением радиолокационной аппаратуры состоит в следующем.

В начальной точке исследований необходимо максимально точно установить глубину до основной отражающей границы, которой является дно залежи, идентифицировать с ней видимый на экране локатора отраженный сигнал и откалибровать прибор. Для этого необходимо провести механическое зондирование залежи с отборов проб подстилающего грунта, если минеральное дно торфяной залежи сложено плотными песчаными или супесчаными отложениями, а также отсутствует плавный переход от торфа к подстилающему грунту, то за глубину отраженной границы следует принять результат механического зондирования. Если в придонном слое залежи присутствует сапропель, или имеет место плавный переход от торфа к подстилающему грунту, то в начальной точке исследования необходимо провести радиолокационное зондирование.

Радиолокационное зондирование выполняют следующим образом: приемную и передающую антенны устанавливают на поверхности залежи в метру друг от друга. После записи принятых сигналов на магнитную ленту начинают одновременно разносить антенны в противоположное стороны от центра, на расстояние сравнимое с глубиной залегания дна залежи. В начальной и конечной точках измерят время прихода отраженных сигналов.

Скорость распространения электромагнитных волн (V) и глубина (h) отражающей границы вычисляется по формулам:

V = [(x 2 2 -x 1 2)/(t 2 2 -t 1 2)] 1/2

H = 1/2{t 1 2 (x 2 2 -x 1 2)/(t 2 2 -t 1 2) - x 1 2 } 1/2 = 1/2{t 2 2 (x 2 2 -x 1 2)/(t 2 2 -t 1 2) - x 2 2 } 1/2

где:
x 1 и x 2 - расстояние между антеннами,
t 1 и t 2 - время прихода отраженных волн.

При определении t 1,2 могут возникать трудности с выявлением сигнала, отраженного от минерального дна. Для предварительной идентификации отражений следует воспользоваться данными ручного бурения и вычислить время прихода отраженной волны по формуле

Либо воспользоваться таблицами перевода t(нс) в h(м).

После определения расстояния до отражающей границы и скорости распространения волн в залежи следует откалибровать прибор по глубине и начать работу по методу радиолокационного профилирования торфяной залежи. Во время движения транспорта с установленным на нем георадаром, проводится непрерывная запись принятых сигналов. Места пересечения маршрута следования с характерными формами рельефа, в также плановая привязка фиксируется на магнитной ленте путем кратковременного включения калибровочных меток. Каждое включение меток регистрируется в журнале наблюдений.

Вычисление средней глубину торфяной залежи и запасов сырья по радиолокационным данным требует контроля за изменением скорости распространения электромагнитных волн на различных участках месторождения. Для этого необходимо создать опорную сеть непосредственных измерений глубины залежи или радиолокационных зондирований.

Наиболее удобно совмещать точки опорной сети с пунтками отбора проб. Кроме этого пи создании опорной сети необходимо руководствоваться следующими положениями:

• на каждой типовой участок торфяного месторождения должно приходиться не менее двух опорных точек.
• По профилю или магистрали опорные точки должны располагаться не реже чем через 1000м.,
• Опорные точки должны располагаться в местах с разной глубиной залежи,
• При сильной изменчивости глубины залежи точки опорной сети должны находиться в местах с горизонтальным положением дна залежи.

Движение вездехода по торфяному месторождению осуществляется по маршрутам, намеченным согласно инструкции по разведке торфяных месторождений.

Методика разведки месторождений сапропеля, осуществляется в зимний период, аналогично методике, описанной выше. В летний полевой период радиолокационное зондирование заменяются импульсным электромагнитным каротажем.

Методика полевых исследований торфа и сапропеля может быть использована практически без изменений для подповерхностной радиолокации других геологических сред. Но прежде чем начинать полевые работы, необходимо оценить возможности имеющейся аппаратуры /3/. Сделать это можно, основываясь на расчетах, приведенных в разделе3. Специально для оценки пределов возможностей радиолокации для геологических исследований автором были разработаны номограммы. На рис.5.1 представлена номограмма, позволяющая, исходя из длительности зондирующего импульса и скорости распространения электромагнитных волн, определить величину "мертвой зону" локатора (Н).

Ни нижней шкале номограммы отложена длительность зондирующего импульса в наносекундах по вертикали - протяженность "мертвой зоны" в метрах. Номограмма построена в билогарифмическом масштабе для различных значений скоростей от 3.35 до 30 см\нсек и охватывают все случаи изменения скорости, которые можно встретить при изучении геологических сред. По основной номограмме (сплошные линии) можно определить Нм для расположения приемных и передающий антенн в одной точке. При применении разнесенных антенн величина "мертвой зоны" увеличивается, т.к. уменьшается разница прихода прямой и отраженной волны. Для ввода поправок за разнос антенн построено дополнительное семейство пунктирных линий. Исправленные значения глубины "мертвой зоны" показаны на верхней шкале.

Пользоваться номограммой следует так. Пусть длительность излучаемого импульса равна 60 нс., исследования ведутся в среде с V=3.35 см/нсек (отн=80) и применены разнесенные антенны на 2 м антенны. На оси ОХ находим точку 60 нс и восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с прямой с V=3.35 см/нсек. Ордината этой точки есть значение Н=1м. Исправленное значение Нм находим по абсциссе пересечения Нм=1м. И пунктирной линии с индексом 2мЮ на верхней шкале номограммы. В рассмотренном примете окончательное значение глубины "мертвой зоны" равно 1.8 м.

Номограмма универсальна и может быть использована для перевода временных разрезов в глубинные. Для этого необходимо вместо имп. Брать время задержки tотр. отраженного сигнала относительно момента излучения. Аналогично определяется разрешающая способность о дальности.

Реальные значения величины мертвой зоны и разрешающей способности по дальности и могут быть ниже, т.к. радиолокационное профилирование более информативно, чем единичные наблюдения волновой картины.

Оценить максимальную дальность подповерхностной радиолокации можно по номограмме на рис.5.2. Для этого необходимо знать величину удельного затухания радиоволн в исследуемой среде (дБ/м). Если отсутствуют измерения на образцах, значение удельного затухания следует оценить по литературным источникам или воспользоваться графиками перевода омм в дБ/м (рис.5.3, 5.4).

Номограмма на рис52 учитывает влияние на дальность локации только затухания и \геометрических потерь и рассчитана для различных величин потенциала локатора в децибелах.

Для примера использования номограммы приведем оценку максимальной глубины радиолокационного зондирования торфяной залежи. Средние значения радиолокационного зондирования торфяной залежи. Средние значения удельного электрического сопротивления верхового торфа колеблются около 100 Омм, что соответствует значению удельного электрического затухания 4 дБ/м. Значения потенциалов разработанных до настоящего времени радиолокаторов составляют 80-100 дБ. Но номограммам получаем глубиность от 5.5 до 15 м, что хорошо согласуется с данными полевых измерений. Для низинных торфов с затуханием больше 5 дБ/м максимальная глубина зондирования составляет менее 5 м. При этом, если учесть наличие плавных переходов от торфа к подстилающим грунтам, характерным для низинных залежей, то можно сделать вывод о том, что радиолокационные исследования торфяных залежей низинного типа, проводимые по существующей методике, возможны лишь в редких случаях.

Подобное ограничение глубинности метода отрицательно сказывается на его практической полезности, т.к. залежи торфа низинного типа и отложения сапропеля. Имеющего аналогичные электрические свойства, как следует из рассмотрения номограммы, возможно двумя путями, а именно? С помощью увеличения потенциала георадара и уменьшением частоты зондирующих импульсов.

Увеличение потенциала локатора возможно прежде всего за счет применения более мощных генераторов наносекундных импульсов. Но это связано с увеличением габаритов генератора и потребляемой им мощности. Хотя генератор мощностью 200квт весит около 1.5 кг и потребляет 30 Вт для носимых модификаций георадара это не пригодно. для возимых на транспортере вариантов аппаратуры вес и габариты не имеют значения, что делает возможным использование мощных генераторов. Разработанные в настоящее время импульсные генераторы могут развивать мощность, измеряемую гигаваттами, и увеличить потенциал локатора более чем на 60 дБ, т.е. проблемы увеличения глубинности исследования можно решить таким способом.

Другим, более предпочтительным, способом является уменьшение средней частоты зондирующего импульса с 80 МГц до 10-20 Мгц. Но это вызывает увеличение "мертвой зоны! И уменьшение разрешающей способности по дальности, которая становится равной 1.5-1 м, Технически частоту зондирующего импульса снизить проще. Как следует из раздела 4, для этого достаточно увеличить эффективную длину антенны. Хотя удлинение антенн несколько ужесточить требования к генератору и потребует проведения специальной обработки сигналов, этот способ более удобен.

Приведенные номограммы позволяют быстро определить возможности применения имеющейся радиолокационной аппаратуры для решения конкретных геологических задач. А при отсутствии положительного решения определить пути модернизации аппаратуры или оценить возможности использования других георадаров.