устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности

Формула изобретения

Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее передатчик, состоящий из последовательно соединенных высоковольтного источника питания, накопительного конденсатора, разрядника и передающей антенны, а также приемник, включающий последовательно соединенные приемную антенну, аттенюатор, усилитель-ограничитель, блок сравнения, блок памяти, а также содержащее 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 третьим входом блока сравнения, вход блока управления - с первым выходом пульта управления, второй выход которого подключен ко второму входу блока синхронизации, отличающееся тем, что выход блока памяти соединен с входом микропроцессора, выход которого соединен с входом двумерного цветного индикатора, при этом микропроцессор реализует алгоритм, основанный на обработке сигналов, отраженных от границы слоев подстилающей поверхности с различными показателями преломления n1 и n2 и коэффициентом отражения R=n1-n2/n1+n2, причем при n1>n2 следует, что отраженный сигнал совпадает по фазе с излученным сигналом, а при n1<n2 - фаза отраженного сигнала противоположна фазе излученного сигнала, по анализу фазы отраженного сигнала классифицируется тип отражающей границы, ширину отражающей границы подстилающей поверхности оценивают по длительности положительной и отрицательной осцилляции отраженного сигнала при переходе его через нулевое значение, временное положение отражающей границы определяют по максимуму функции, получаемой преобразованием Гильберта отраженного сигнала, при этом локальные максимумы преобразования на временной оси соответствуют максимальной энергии отраженных сигналов и положению отражающей границы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к классу геофизических приборов, предназначенных для исследования подповерхностной структуры почвы до глубин несколько десятков метров, и может применяться для решения задач геологии, строительства, археологии, коммунального хозяйства, экологии и т. д.

Известен ряд устройств подповерхностного зондирования почвы, основанных на принципах радиолокации и получивших название георадаров (1-5).

Основной недостаток этих приборов, препятствующий их широкому применению, - сложность интерпретации результатов, получаемых с помощью георадара, которые представляют собой бинарную или амплитудную запись сигналов, отраженных от подземных объектов. Переход от временных характеристик записанного сигнала к пространственным характеристикам отражающих объектов, т.е. решение обратной задачи радиолокационного зондирования, требует привлечения специалистов высокой квалификации и камеральной компьютерной обработке результатов.

Наиболее близким аналогом является “устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности” [5], 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, 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 третьим входом блока сравнения, вход блока управления - с первым выходом пульта управления, второй выход которого подключен ко второму входу блока синхронизации.

В известном устройстве производится регистрация отраженного сигнала в бинарной или амплитудной форме, запись в память и отображение его на двумерном черно-белом индикаторе.

Техническим результатом изобретения является обнаружение отражающих объектов, оценивание их характеристик и отображение результатов на двумерном цветном индикаторе. Такая обработка отраженных сигналов позволяет перейти от радарограммы (записи локационных сигналов), которая являлась ранее конечным результатом георадарной съемки, к геологическому сечению подстилающей поверхности, где отражающие границы обнаружены по задержке, классифицированы по знаку и ширине переходного слоя. Результаты обработки не требуют привлечения высококвалифицированных специалистов для их интерпретации, что позволит прибору стать массовым.

Сущность изобретения заключается в том, что по отношению к прототипу в устройство дополнительно введен микропроцессор, реализующий описываемый ниже алгоритм обработки радарограмм, и введен цветной индикатор, на котором наглядно изображаются результаты обработки.

Алгоритм основан на физике отражения сигнала от границы слоев с различными показателями преломления n₁ и n₂ . В геометрооптическом приближении коэффициент отражения R определяется формулой

(1)

Из (1) следует, что при n₁>n ₂ коэффициент отражения положительный, а при n₁ <n₂ - отрицательный. Для зондирующего импульса передатчика это означает, что в первом случае отраженный сигнал совпадает по фазе с излученным сигналом, а во втором случае фаза отраженного сигнала противоположна фазе излученного сигнала. Анализ фазы отраженного сигнала, таким образом, позволяет классифицировать тип отражающей границы. Например, отраженный сигнал от зарытой в земле металлической трубы будет противофазным, а от пластиковой трубы - синфазным.

Для оценки ширины переходного слоя (границы) в алгоритме используется длительность основной (положительной или отрицательной) осцилляции сигнала при переходе ее через нулевое значение. Очевидно, что для резкого перехода от одного слоя к другому (-образная граница), длительность осцилляции отраженного сигнала при отсутствии дисперсии равна длительности осцилляции излученного сигнала. Если граница плавная, расширение осцилляции пропорционально ширине границы.

Временное местоположение границы определяется по максимуму функции, получаемой преобразованием Гильберта исходной амплитудной радарограммы. Локальные максимумы преобразования на временной оси соответствуют максимальной энергии отраженных сигналов и, следовательно, положению отражающих границ.

Вся полученная в результате описанной математической обработки (далее первичной обработки) информация поступает на двумерный индикатор в виде геологического положения отражающих границ, которые, в зависимости от типа и ширины отображаются различными цветами.

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, и приемник, включающий последовательно соединенные приемную антенну 5, аттенюатор 6, усилитель-ограничитель 7, блок сравнения 8, блок памяти 9, микропроцессор 14 и двумерный цветной индикатор 10, блок синхронизации 11, пульт управления 13 и блок управления 12; при этом вход блока синхронизации 11 соединен с выходом усилителя-ограничителя 7, а выход - со вторым входом блока сравнения 8, первый выход блока управления 12 - со вторым входом блока памяти 9, а второй выход блока управления 12 - с третьим входом блока сравнения 8, вход блока управления 12 - с первым выходом пульта управления 13, второй выход которого подключен ко второму входу блока синхронизации 11.

Устройство работает следующим образом.

При включении высоковольтного источника питания 1 заряжается накопительный конденсатор 2. При достижении напряжения на конденсаторе 2, соответствующего напряжению самопробоя разрядника 3, конденсатор 2 подключается через разрядник 3 к передающей антенне 4, формируя зондирующий импульс. Зондирующий импульс через воздушный промежуток между передающей 4 и приемной антенной 5 и пришедшие из-под земли сигналы принимаются приемной антенной 5, ослабляются аттенюатором 6, усиливаются и ограничиваются усилителем-ограничителем 7. При превышении уровня сигнала на выходе усилителя-ограничителя 7 порога синхронизации запускается тактовый генератор блока синхронизации 11, привязанный по фазе к моменту превышения порога. Тактовые импульсы с выхода блока синхронизации поступают на второй вход блока сравнения, где происходит сравнение сигнала, пришедшего на первый вход, с другим порогом, который устанавливается блоком управления 12. Блок управления 12 последовательно меняет порог обнаружения для каждого последующего зондирующего импульса, реализуя тем самым регистрацию амплитуды отраженного сигнала (радарограмму), которая записывается в блок памяти 9. По окончании записи радарограммы микропроцессор 14 производит первичную обработку сигналов и выводит результат на двумерный цветной индикатор 10.

Для реализации устройства с диапазоном рабочих частот 50-500 МГц и 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 антенна - резистивный диполь.

5. Приемная антенна - резистивный диполь.

6. Аттенюатор - резистивный.

7. Усилитель-ограничитель - микросхемы К174ПС4, МАХ435.

8. Блок сравнения - микросхемы К572ПА1А, МАХ9687.

9. Блок памяти - микросхемы К1500ИР141, К573РУ10.

10. Двумерный цветной индикатор - жидкокристаллический, 256 Х 360 элементов.

11. Блок синхпонизации - микоосхемы МАХ9685. К1500ИЕ136.

12. Блок управления - микросхема КР1830ВЕ31.

13. Пульт управления - кнопочные микровыключатели.

14. Микропроцессор - ADSP-2184BST-160.

Источники информации

1. US 3806795 А, опубл. в 1974.

2. US 4905008 А, опубл. в 1990.

3. SU 1562883 A1, опубл. в 1990.

4. SU 1078385 A1, опубл. в 1984.

5. RU 2080622 C1, опубл. в 1997.