устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности

Формула изобретения

Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее передатчик, включающий последовательно соединенные высоковольтный источник питания, накопительный конденсатор, разрядник и передающую антенну, и приемник, в состав которого входят приемная антенна, последовательно соединенные усилитель-ограничитель, блок сравнения и двумерный индикатор, а также блок синхронизации, первый вход которого подключен к выходу усилителя-ограничителя, блок управления, включенный между выходом блока синхронизации и вторым входом блока сравнения, блока памяти и пульт управления, соответствующие выходы которого соединены со вторыми входами блока синхронизации и блока памяти, отличающееся тем, что приемная антенна в приемнике подключена к входу усилителя-ограничителя, а блок управления выполнен с возможностью реализации принципа стробоскопической регистрации отраженного сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геофизическим приборам для исследования подповерхностной структуры почвы до глубины в несколько десятков метров и может найти применение в дорожном строительстве для определения состояния дорожного полотна, в геологии - для получения геологической стратификации слоев, в археологии - для изучения археологических объектов без раскопок, в коммунальном хозяйстве - для поиска коллекторов, труб, кабелей, а также при решении вопросов, связанных с проблемами экологии, например для мониторинга протечек трубопроводов.

Известен ряд устройств для подповерхностного зондирования почвы, основанных на принципах радиолокации и получивших название георадаров. Основной недостаток этих приборов, препятствующий их широкому применению, - сложность эксплуатации, требующая привлечения специалистов высокой квалификации, а также большая стоимость [1-4].

Наиболее близким аналогом является устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее передатчик, состоящий из последовательно соединенных высоковольтного источника питания, накопительного конденсатора, разрядника и передающей антенны, и приемник, включающий последовательно соединенные приемную антенну, аттенюатор, усилитель-ограничитель, блок сравнения, блок памяти и двумерный индикатор, а также блок синхронизации, пульт управления и блок управления, при этом вход блока синхронизации соединен с выходом усилителя-ограничителя, а выход - со вторым входом блока сравнения, первый выход блока управления - со вторым входом блока памяти, а второй выход блока управления - с первым выходом пульта управления, второй выход которого подключен ко второму входу блока синхронизации [5].

В известном устройстве регистрация отраженного сигнала осуществляется в блоке сравнения с высокой тактовой частотой равной 1 нс, соответствующей частоте дискретизации по времени. Это предъявляет высокие требования к скоростным характеристикам компараторов, используемых в блоке сравнения, а также требует использования памяти с высокой скоростью записи.

Кроме того, в известном устройстве реализуется несколько режимов регистрации отраженного сигнала по его амплитуде и полярности, что требует высокой квалификации технического персонала.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства и уменьшение его стоимости.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащем передатчик, включающий последовательно соединенные высоковольтный источник питания, накопительный конденсатор, разрядник и передающую антенну, и приемник, в состав которого входят приемная антенна, последовательно соединенные усилитель-ограничитель, блок сравнения, блок памяти и двумерный индикатор, а также блок синхронизации, первый вход которого подключен к выходу усилителя-ограничителя, блок управления, включенный между выходом блока синхронизации и вторым входом блока сравнения, и пульт управления, соответствующие выходы которого соединены со вторыми входами блока синхронизации и блока памяти, при этом приемная антенна подключена к входу усилителя-ограничителя, а приемник выполнен с возможностью реализации стробоскопического принципа регистрации отраженного сигнала.

В предлагаемом изобретении приемник осуществляет регистрацию параметров отраженного сигнала дискретно в заданные моменты времени. За один импульс передатчика приемник фиксирует превышение сигналом порога только в один момент времени, т.е. осуществляет принцип стробоскопической регистрации сигнала.

Кроме того, при регистрации приемник фиксирует только полярность отраженного сигнала, превышающего нулевой порог. Информация о полярности обрабатывается и в бинарной форме выводится на двумерный индикатор непосредственно в процессе измерения. Такое схемное решение позволяет охарактеризовать предлагаемое устройство "бинарным стробоскопом".

Очевидно, что в этом случае запись сигнала в N временных точках растягивается по времени на N интервалов повторения зондирующего импульса, что, естественно, увеличивает время регистрации сигнала, но зато резко сокращает требования к скоростным характеристикам компараторов и памяти. Увеличение времени записи сигнала по сравнению с наиболее близким аналогом с 256 нc до 0,25 с вполне приемлемо с практической точки зрения.

Кроме того, в таком режиме регистрации не требуется дополнительно подстраивать усиление тракта приемника в различных условиях измерения. Это позволяет упростить конструкцию устройства и не использовать аттенюатор, при этом резко уменьшаются требования к характеристикам комплектующих изделий и, следовательно, уменьшается стоимость устройства.

Схемное решение приемника позволяет в режиме регистрации использовать для питания источник в 30 мВт. Это дает возможность использовать источники питания в 30 мВт. При этом вес приемника уменьшается в 3 раза. Причем предложенное устройство, так же как и наиболее близкий аналог, обеспечивает регистрацию отраженного сигнала в широком динамическом диапазоне до 146 дБ без дополнительных подстроек и регулировок.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведена блок-схема передатчика, на фиг.2 - блок-схема приемника.

Устройство содержит передатчик, состоящий из последовательно соединенных высоковольтного источника питания 1, накопительного конденсатора 2, разрядника 3 и передающей антенны 4, а также приемник, включающий последовательно соединенные приемную антенну 5, усилитель - ограничитель 6, блок 7 сравнения, блок 8 памяти и двумерный индикатор 9. Кроме того, приемник включает блок 10 синхронизации, первый вход которого подключен к выходу усилителя-ограничителя 6, блок 11 управления, включенный между выходом блока 10 синхронизации и вторым входом блока 7 сравнения, и пульт 12 управления, соответствующие выходы которого соединены со вторыми входами блока 10 синхронизации и блока 8 памяти.

Устройство работает следующим образом.

При включении высоковольтного источника 1 заряжается накопительный конденсатор 2. При достижении на конденсаторе 2 напряжения, соответствующего напряжению самопробоя разрядника 3, конденсатор 2 подключается через разрядник 3 к передающей антенне 4, формируя мощный зондирующий импульс. Оптимальной частотой повторения зондирующего импульса является частота в 1000 Гц.

Зондирующий импульс через воздушный промежуток между антеннами 4 и 5 и пришедшие из-под земли сигналы принимаются приемной антенной 5, усиливаются и ограничиваются усилителем-ограничителем 6.

При превышении сигналом некоторого порога, выбранного исходя из мощности зондирующего импульса, запускается тактовый генератор блока 10 синхронизации. После нажатия кнопки на пульте управления 12 тактовые импульсы с выхода блока 10 синхронизации поступают на блок 11 управления, который формирует в соответствии с алгоритмом стробоскопического преобразования импульсы считывания, поступающие на второй вход блока 7 сравнения. В соответствии с алгоритмом стробоскопического преобразования, если первый импульс считывания формируется в момент времени t, то второй импульс считывания - в момент времени (t+ 1 нс), третье - в момент времени (t+ 2 нс), и т. д. Причем последний импульс считывания формируется в момент времени (t+ 256 нс).

В момент поступления импульсов считывания в блоке 7 сравнения происходит сравнение сигнала, поступающего на вход с нулевым порогом, т.е. определяется его полярность. Превышение порога регистрируется в блоке 8 памяти как двоичная "1", отсутствие превышения - как двоичный "0".

Информации из блока 8 памяти в двоичной форме поступает на двумерный индикатор 10 в координатах "время задержки - номер измерения", что является конечным изображением радиолокационного профиля зондируемого объекта. На индикаторе единица изображается, например, черным или серым цветом, а ноль - белым.

Для реализации устройства с диапазоном рабочих частот 50-500 МГц и эквивалентной частотой дискретизации 1 ГГц могут быть использованы следующие элементы:

1. Высоковольтный источник питания. Транзисторы КП802, трансформатор ТВС-90ПЦ8.

2. Накопительный конденсатор КВИ-2.

3. Разрядник Р-5.

4. Передающая и приемная антенны - резистивно-нагруженные диполи.

5. Усилитель-ограничитель. Микросхемы К174ПС4, МАХ435.

6. Схема сравнения. Микросхема МАХ9687.

7. Блок памяти. Микросхема К573РУ10.

8. Двумерный индикатор. Жидкокристаллический индикатор 128Х256 элементов.

9. Блок синхронизации. Микросхема МАХ9685.

10. Блок управления. Микросхема КР1830ВЕ31.

11. Пульт управления. Кнопочные микровыключатели.

Относительная простота устройства и связанная с этим относительно низкая стоимость делают устройство перспективным для массового применения в различных областях науки и техники.

Источники информации

1. US 3806795 А, опубл. в 1974.

2. US 4905008 А, опубл. в 1990.

3. SU 1562883 А1, опубл. в 1990.

4. SU 1078385 А1, опубл. в 1984.

5. RU 2080622 С1, опубл. в 1997.