геофизический комплекс для поиска подповерхностных объектов "гфк-1"

Формула изобретения

Геофизический комплекс для поиска подповерхностных объектов, содержащий пространственно связанные передающее и приемное антенные устройства, каждое из которых выполнено в отдельном корпусе, внутри каждого из которых размещена антенна и управляющий блок, а также блок управления, связанный с ЭВМ и с передающим и приемным антенными устройствами, при этом для передающего антенного устройства управляющий блок выполнен в виде устройства запуска передатчика оптическим или электрическим сигналом от блока управления и передатчика, для приемного антенного устройства управляющий блок выполнен в виде устройства запуска приемника и стробоскопического преобразователя, а блок управления выполнен с возможностью реализации функций по формированию импульсов запуска передатчика, приемника, стробоскопического преобразователя, сигналов пилообразного вида и сигналов для ЭВМ, отличающийся тем, что корпуса передающего и приемного антенных устройств выполнены в виде параллелепипедов из оцинкованного железа, нижняя панель каждого из которых выполнена из пластика и на ней размещена антенна типа "бабочка", представляющая собой замкнутый контур, две противоположные прямые стороны которого расположены вдоль одних противоположных сторон нижней панели, а каждая из двух других сторон контура вогнута в направлении к геометрическому центру нижней панели, при этом на середине расстояния от геометрического центра нижней панели до ее края ветви вогнутого участка антенны выполнены прямыми и расположены под углом 90° друг к другу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к классу геофизических приборов, в частности георадаров, предназначенных для исследования подповерхностной структуры почвы до глубин несколько десятков метров, и может применяться для решения задач геологии, строительства, археологии, коммунального хозяйства, экологии, а также для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей и т.д. Изобретение так же относится к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях.

Работа радиолокационного прибора подповерхностного зондирования (в общепринятой терминологии - георадара) основана на использовании классических принципов радиолокации. Передающей антенной прибора излучаются сверхкороткие электромагнитные импульсы (единицы и доли наносекунды), имеющие 1,0-1,5 периода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Центральная частота сигнала определяется типом антенны. Выбор длительности импульса определяется необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью прибора. Для формирования зондирующих импульсов используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжения (ударный метод возбуждения). Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от находящихся в ней предметов или неоднородностей среды, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость, принимается приемной антенной, усиливается в широкополосном усилителе, преобразуется в цифровой вид при помощи аналого-цифрового преобразователя и запоминается для последующей обработки. После обработки полученная информация отображается на индикаторе.

Известен геофизический комплекс для поиска подповерхностных объектов, содержащий пространственно связанные передающее и приемное антенные устройства, каждое из которых выполнено в виде отдельного корпуса, внутри каждого из которого размещена антенна и управляющий блок, а так же блок управления, связанный с ЭВМ и с передающим и приемным антенными устройствами, при этом для передающего антенного устройства управляющий блок выполнен в виде устройства запуска передатчика оптическим или электрическим сигналом от блока управления и формирования импульса передатчика, для приемного антенного устройства управляющий блок выполнен в виде устройства запуска приемника и стробоскопического преобразователя, а блок управления выполнен с возможностью реализации функций по формированию импульсов запуска передатчика и приемника управляющих блоков антенных устройств и стробоскопического преобразователя, сигналов пилообразного вида и сигналов для ЭВМ (RU №2205424, G 01 S 13/95, G 01 V 3/12, опубл. 27.05.2003).

Для приборов такого назначения существенным является обеспечение большого энергетического потенциала, позволяющего работать в средах с высокой проводимостью, например в суглинке или влажной глине, и чистота полученного сигнала, которая определяется конструкцией самой антенны. Наличие в принимаемом сигнале "звона", который, например, всегда присутствует при использовании обычных антенн, заметно маскирует слабые сигналы на фоне более мощных.

Известно устройство зондирования строительных конструкций, которое состоит из высокочастотного генератора, пространственно совмещенных передающей и приемной антенн, приемника высокочастотного сигнала. Для идентификации и определения в реальном масштабе времени положения неоднородностей и включений в строительных конструкциях пространственно совмещенные передающая и приемная антенны снабжены сканирующим устройством регистрации координат зондируемой поверхности, выполненным в виде линейки, а сигналы от приемника высокочастотного сигнала и сканирующего устройства регистрации координат зондируемой поверхности поступают в контроллер по обслуживанию и вводу данных в ЭВМ. Частота высокочастотного генератора находится в диапазоне от 3 до 4 ГГц. В основе устройства лежит принцип использования непрерывного сигнала с частотой, изменяющейся по симметричному или несимметричному пилообразному закону. Частота биений между опорным (прямым) и отраженным сигналами является функцией расстояния до неоднородности (RU №2121671, G 01 N 22/00, 1997).

Однако данное устройство обладает сравнительно низкой точностью и разрешающей способностью по глубине. Это объясняется тем, что в процессе приема и соответствующей обработки отраженный линейный частотно-модулированный сигнал "сжимается", имеет довольно высокий уровень боковых лепестков корреляционной функции. Меры по уменьшению уровня боковых лепестков приводят к существенному расширению главного лепестка и потере энергии. В зависимости от требуемой глубины и разрешения используются длины волн от метрового до дециметрового диапазона. Функция корреляции таких радиоимпульсов лишена боковых лепестков, а следовательно, точность и разрешающая способность по глубине устройства могут быть существенно повышены. Кроме того, в известном устройстве надежные обнаружение и идентификация подповерхностных неоднородностей в строительных конструкциях в ряде случаев затруднены из-за высокого уровня вариаций электромагнитного поля (квазистационарные и периодические составляющие поля, помехи естественного и искусственного происхождения).

Технической задачей изобретения является повышение точности, разрешающей способности, надежности обнаружения и идентификации неоднородностей и включений в строительных конструкциях за счет исключения отражений от поверхности воздух - строительная конструкция, вариаций электромагнитного поля и использования последовательности радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного).

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по изменению конструкции антенны для получения сильного полезного сигнала, подлежащего обработке. Повышение точности, разрешающей способности, надежности обнаружения и идентификации неоднородностей и включений в исследуемых слоях обеспечивается за счет исключения отражений от поверхности воздух - земная поверхность, вариаций электромагнитного поля и использования заданной по периоду последовательности радиоимпульсов.

Достигаемый при этом технический результат заключается повышении эксплуатационных показателей георадара за счет повышения достоверности визуально отображаемых данных, основанных на полученном отраженном сигнале.

Указанный результат достигается тем, что в геофизическом комплексе для поиска подповерхностных объектов, содержащем пространственно связанные передающее и приемное антенные устройства, каждое из которых выполнено в виде отдельного корпуса, внутри каждого из которого размещена антенна и управляющий блок, а также блок управления, связанный с ЭВМ и с передающим и приемным антенными устройствами, при этом для передающего антенного устройства управляющий блок выполнен в виде устройства запуска передатчика оптическим или электрическим сигналом от блока управления и формирования импульса передатчика, для приемного антенного устройства управляющий блок выполнен в виде устройства запуска приемника и стробоскопического преобразователя, а блок управления выполнен с возможностью реализации функций по формированию импульсов запуска передатчика и приемника управляющих блоков антенных устройств и стробоскопического преобразователя, сигналов пилообразного вида и сигналов для ЭВМ, отдельный корпус для передающего и приемного антенных устройств выполнен в виде параллелепипеда из оцинкованного железа, на нижней панели из пластика которого размещена антенна типа "бабочка", представляющая собой замкнутый контур, две первые противоположно расположенные прямые стороны которого расположены вдоль одних противоположно расположенных сторон нижней панели, а каждая из двух других сторон контура вогнута в направлении к геометрическому центру нижней панели, при этом на расстоянии от геометрического центра нижней панели до середины расстояния до края нижней панели ветви вогнутого участка антенны выполнены прямыми и расположены под углом 90° друг к другу.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг.1 - блок схема геофизического комплекса для поиска подповерхностных объектов;

фиг.2 - блок-схема управляющего блока передающего антенного устройства;

фиг.3 - вид на антенну в плане

фиг.4 - блок-схема управляющего блока приемного антенного устройства;

фиг.5 - блок-схема блока управления;

фиг.6 - принципиальная схема передатчика оптического для передающего антенного устройства;

фиг.7 - принципиальная схема приемника оптического для приемного антенного устройства;

фиг.8 - принципиальная схема контроллера;

фиг.9 - принципиальная схема генератора формирования непрерывного сигнала с частотой по симметричному или несимметричному пилообразному закону;

фиг.10 - принципиальная схема блока формирования импульсов запуска передающему и приемному антенным устройствам, смонтированному на цифровой плате.

Согласно настоящего изобретения геофизический комплекс для поиска подповерхностных объектов (фиг.1) содержит пространственно связанные передающее 1 и приемное 2 антенные устройства, каждое из которых выполнено в виде отдельного корпуса, внутри каждого из которого размещена антенна 3 и управляющий блок.

Для передающего антенного устройства 1 управляющий блок 4 выполнен в виде передатчика 5, связанного с оптическим приемником 6, выполненным с функцией запуска передатчика оптическим или электрическим сигналом от блока управления 7, передатчик 5 выполнен с возможностью формирования импульсов.

Отдельный корпус для передающего и приемного антенных устройств выполнен в виде параллелепипеда из оцинкованного железа, на нижней панели 8 из пластика которого размещена антенна 3 типа "бабочка", представляющая собой замкнутый контур, две первые противоположно расположенные прямые стороны 9 которого расположены вдоль одних противоположно расположенных сторон нижней панели, а каждая из двух других сторон контура вогнута в направлении к геометрическому центру нижней панели, при этом на расстоянии от геометрического центра нижней панели до середины расстояния до края нижней панели ветви 10 вогнутого участка антенны выполнены прямыми и расположены под углом 90° друг к другу.

Блок управления 7 связан с ЭВМ 11 (например, ноутбуком) и с передающим и приемным антенными устройствами. Блок управления выполнен с возможностью реализации функций по формированию импульсов запуска передатчика и приемника управляющих блоков антенных устройств и стробоскопического преобразователя, сигналов пилообразного вида и сигналов для ЭВМ.

Передающее антенное устройство 1 (фиг.2) представляет собой прямоугольной формы корпус из оцинкованного железа с ручкой на боковой стенке для удобства переноски, верхняя часть корпуса закрыта крышкой из того же материала, а нижняя часть закрыта пластиной из пластика. На этой пластине смонтирована антенна 3 типа "бабочки".

Внутри этого корпуса находится управляющий блок 4, включающий передатчик 5 в виде устройства формирования импульсов, передаваемых на антенну 3, оптический приемник 6 в виде устройства запуска передатчика 5, связанный входом 12 с выходом 13 блока управления (запуск от оптического сигнала через оптический кабель или электрический запуск через электрокабель), и источник питания 14 (аккумулятор), имеющий вход 15 для подключения зарядного устройства.

Принципиальная схема передатчика оптического 5 для передающего антенного устройства, как один из возможных вариантов исполнения, показан на фиг.6. Передатчик оптический выполнен на микросхеме D1 К555АГ4 и транзисторе VT1 КТ972А.

На лицевой стороне корпуса расположены разъемы для запуска передатчика оптическим сигналом, выключатель питания антенного блока 16, а так же разъем подключения зарядного устройства для зарядки аккумулятора без извлечения его из корпуса.

Приемное антенное устройство 2 (фиг.3) так же представляет собой прямоугольной формы корпус из оцинкованного железа с ручкой на боковой стенке для удобства переноски, верхняя часть корпуса закрыта крышкой из того же материала, а нижняя часть закрыта пластиной из пластика. На этой пластине смонтирована антенна 3 типа "бабочки", аналогичная по исполнению антенне для передающего антенного устройства.

Внутри этого корпуса находится управляющий блок 17, включающий стробоскопический преобразователь 18, одним входом связанный с антенной, а выходом 19 с блоком управления, оптический приемник 20, выполненный в виде схемы оптического запуска стробоскопического преобразователя (а также с возможностью электрического запуска через электрокабель), входом 21 связанный с выходом 22 блока управления, приемник 23 для электрического запуска стробоскопического преобразователя, и источник питания 24 с входом 25 для подключения зарядного устройства для зарядки аккумулятора (аккумулятор 26 встроен в корпус).

Принципиальная схема приемника оптического 20 для приемного антенного устройства, как один из возможных вариантов исполнения, показан на фиг.7. Приемник оптический выполнен на микросхемах D1 К1554, D78L05 и транзисторах VT1, VT2 - КТ363А, VT3 КТ3102В.

На лицевой стороне корпуса расположены разъемы для подключения кабеля запуска оптического приемника, для подключения к блоку управления и для подключения зарядного устройства для зарядки аккумулятора без извлечения его из корпуса, а так же выключатель 27 питания антенного блока со светодиодом индикации включения.

Для передающего антенного и для приемного антенного устройств антенна типа "бабочка" представляет собой замкнутый контур (фиг.4), две первые противоположно расположенные прямые стороны которого расположены вдоль одних противоположно расположенных сторон нижней панели, а каждая из двух других сторон контура вогнута в направлении к геометрическому центру нижней панели, при этом на расстоянии от геометрического центра нижней панели до середины расстояния до края нижней панели ветви вогнутого участка антенны выполнены прямыми и расположены под углом 90° друг к другу.

Блок управления 7 (фиг.5) так же выполнен в корпусе прямоугольной формы, сверху и снизу корпус закрыт съемными крышками. Внутри блока находятся:

- цифровая плата 28, на которой смонтирован блок формирования импульсов запуска передающему 1 и приемному 2 антенным устройствам (принципиальная схема показана на фиг.10);

- плата 29 усилителя сигналов (блок усиления, усилитель);

- плата 30 "быстрой пилы" (представляет собой высокочастотный генератор: в его основе лежит принцип формирования непрерывного сигнала с частотой по симметричному или несимметричному пилообразному закону, принципиальная схема этого генератора приведена на фиг.9);

- контроллер 31 с выходом 32 для подключения ЭВМ 11 (фиг.8, выполнен на микросхемах D1, D2, D3 соответственно ADS 7816 Р, АТ9058515 BPI, МАХ232 и резонаторе Q1 РПК 01-3,6864 Мнz);

- преобразователь напряжения 33 и аккумулятор 34 с входом для подключения зарядного устройства.

На лицевой панели корпуса блока управления расположены выключатель питания 35, светодиод для индикации включения питания, разъем для подключения электрического кабеля к приемному антенному устройству, разъем подключения электрического кабеля к передающему антенному устройству, разъем подключения интерфейсного кабеля от компьютера ("RS232"), разъем для подключения оптического кабеля к передающему антенному устройству, разъем для подключения электрического кабеля с выхода приемного антенного устройства к блоку управления.

На задней панели корпуса блока управления расположены разъем для подключения зарядного устройства и крышка доступа к аккумулятору.

В качестве программного обеспечения, устанавливаемого в ЭВМ, возможно использование пакета программного обеспечения GeoScan, которое позволяет получение площадных массивов данных с последующей обработкой и визуализацией этой информации в трехмерном виде. Базовая версия пакета программного обеспечения GeoScan обеспечивает управление георадаром во всех режимах и обработку информации с использованием наиболее универсальных методов обработки без использования трехмерной графики. Профессиональная версия пакета GeoScan обеспечивает управление георадаром и предоставляет возможность провести практически все известные методы обработки георадарной информации, включая трехмерную визуализацию.

Комплекс работает следующим образом.

При включении георадара и нажатии кнопки "Пуск" на компьютере сигнал из блока управления 7 с частотой 125 кГц запускает формирователь импульсов, сигнал синхронизирующий запуск передатчика. Передатчик формирует сверхкороткие электромагнитные импульсы длительностью 0,5-1,0 нс. Эти импульсы излучаются передающей антенной, расположенной на поверхности земли (стены) в месте, где производится поиск объекта. Импульсы проходят на определенную глубину в грунте, и если на их пути встречается объект, имеющий диэлектрическую проницаемость, отличную от диэлектрической проницаемости самого грунта, то происходит отражение сигнала от границы раздела этих сред. Отраженный электромагнитный сигнал принимается приемником. Излучаемый импульс проходит в приемную антенну тремя путями: во-первых, по воздуху, во-вторых, после отражения от поверхности земли, в третьих, после отражения от границ поверхностей, имеющих разную диэлектрическую проницаемость: труба, кабель, крупный камень, другой тип грунта и т.д. Принятые приемной антенной эти сигналы преобразуются с помощью стробоскопического преобразователя в низкочастотные сигналы, которые усиливаются усилителем (с регулируемым коэффициентом усиления РУ и ВАРУ), оцифровываются в АЦП и через контроллер (интерфейс RS 232) поступают на компьютер. После обработки по определенной программе полученная картина в виде радарограммы высвечивается на экране монитора. Одновременно в правой части экрана изображается осциллограмма в зондируемом сечении грунта по глубине (в том сечении, где находится курсор, который можно устанавливать в любую точку пройденного пути). Глубина расположения объекта определяется по времени прохождения сигнала до объекта и обратно.

Конструкция георадара выполнена таким образом, что контроллер, формирователь импульсов, усилитель, АЦП находятся в блоке управления, передатчик - в передающем антенном блоке, а сторобоскопический преобразователь - в приемном антенном блоке.

Передача импульсов запуска от формирователя к передающему антенному блоку осуществляется через волоконно-оптическое приемопередающее устройство.

Таким образом, после зондирования на экране компьютера видна картина подповерхностной георадарной обстановки, при этом по горизонтальной оси просматривается картина вдоль зондируемой трассы, пройденной комплексом при его передвижении, а по вертикальной оси - сигналы, отраженные от объектов, залегающих в грунте на разной глубине.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как реализуется на принципах построения георадаров с использованием известных элементных баз, а существо изобретения и достижение технического результата определено рациональным выполнением антенных устройств.