РАДИОЛОКАТОР ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Название	РАДИОЛОКАТОР ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Разработчик (Авторы)	Шошин Евгений Леонидович
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	152566
Дата регистрации	19.11.2014
Правообладатель	Шошин Евгений Леонидович
Область применения (класс МПК)	G01S 13/89 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к подповерхностной радиолокации и может быть использовано для построения геологических разрезов, определения положения грунтовых вод, определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды, определения неоднородностей, включений и границ бетонных конструкций, измерения длины свай.

Известно устройство подповерхностного радиолокационного зондирования, содержащее последовательно соединенные модулятор, генератор частотно-модулированного сигнала, ответвитель, предварительный усилитель, блок задержки, усилитель мощности и передающую антенну, смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом ответвителя, усилитель сигналов дальномерных частот, аналого-цифровой преобразователь, выходы которого соединены с первыми входами персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ), обеспечивающей формирование кодов управления и вычисление по полученным данным геофизических параметров исследуемого подповерхностного слоя, второй вход которой соединен с выходом датчика местоположения, первые и вторые выходы ПЭВМ соединены соответственно с первыми входами управления усилителя сигналов дальномерных частот и с входами блока отображения и выдачи информации, первую и вторую приемные антенны, пространственно разнесенные между собой и подключенные к первому и второму входам высокочастотного переключателя, вход управления которого соединен с третьим выходом ПЭВМ, выход высокочастотного переключателя через последовательно соединенные смеситель и узкополосный фильтр соединен с входом усилителя сигналов дальномерных частот (Патент РФ №2100825, кл. G01S 13/95, 1997).

Недостатком устройства является неспособность к надежному определению толщины конструктивных слоев дорожной одежды, определению неоднородностей, включений и границ бетонных конструкций по результатам поляризационной обработки рассеянных сигналов.

Известно устройство зондирования строительных конструкций, состоящее из высокочастотного генератора, пространственно совмещенных передающей и приемной антенн, приемника высокочастотного сигнала и ЭВМ, при этом к первому выходу высокочастотного генератора подключена передающая антенна, к выходу приемной антенны последовательно подключены приемник высокочастотного сигнала и контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ, высокочастотный генератор выполнен в виде генератора ударного возбуждения, контроллер выполнен в виде последовательно соединенных и подключенных к выходу приемника высокочастотного сигнала первой линии задержки, триггера, второй вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора, ключа, второй вход которого соединен с выходом приемника высокочастотного сигнала, усилителя, второй линии задержки, блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя, интегратора, блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, и аналого-цифрового преобразователя, выход которого через интерфейс связан с ЭВМ, причем соответствующие выходы интерфейса подключены к высокочастотному генератору, приемнику высокочастотного сигнала, блоку формирования эталонного напряжения, звуковому и жидкокристаллическому индикаторам (патент РФ №2234694, G01N 22/02, 2002).

Недостатком устройства является неспособность к надежному выделению границ раздела, арматуры, неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях, измерению длины свай по результатам поляризационной обработки рассеянных сигналов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является радиолокатор подповерхностного зондирования, содержащий последовательно соединенные генератор видеоимпульсов и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, электронный ключ, усилитель, стробоскопический преобразователь и устройство синхронизации и обработки сигнала, выход которого соединен с управляющим входом стробоскопического преобразователя, управляющим входом электронного ключа и входом генератора видеоимпульсов (Патент на полезную модель РФ №80022, кл. G01S 13/42, 2008).

Недостатком устройства является неспособность к надежному выделению границ раздела, арматуры, неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях по результатам поляризационной обработки рассеянных сигналов.

Технической задачей изобретения является повышение надежности обнаружения и идентификации границ раздела, неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях по результатам поляризационной обработки рассеянных сигналов.

Поставленная задача решается тем, что радиолокатор подповерхностного зондирования, содержащий последовательно соединенные генератор видеоимпульсов и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, электронный ключ, усилитель, стробоскопический преобразователь и устройство синхронизации и обработки сигнала, первый выход которого соединен с управляющим входом стробоскопического преобразователя и управляющим входом электронного ключа, а первый сигнальный вход устройства синхронизации и обработки сигнала подключен к выходу стробоскопического преобразователя, отличается от ближайшего аналога тем, что в состав радиолокатора дополнительно введены последовательно соединенные второй генератор видеоимпульсов и вторая передающая антенна, последовательно соединенные вторая приемная антенна, второй электронный ключ, второй усилитель, второй стробоскопический преобразователь, при этом, к первому выходу устройства синхронизации и обработки сигнала подключены управляющий вход второго стробоскопического преобразователя и управляющий вход второго электронного ключа, ко второму выходу устройства синхронизации и обработки сигнала подключен вход первого генератора видеоимпульсов, к третьему выходу устройства синхронизации и обработки сигнала подключен вход второго генератора видеоимпульсов, к второму сигнальному входу устройства синхронизации и обработки сигнала подключен выход второго стробоскопического преобразователя.

Структурная схема радиолокатора подповерхностного зондирования представлена на фиг. 1. Радиолокатор включает в себя: 1 - первая передающая антенна, 2 - первый генератор видеоимпульсов, 3 - вторая передающая антенна, 4 - второй генератор видеоимпульсов, 5 - первая приемная антенна, 6 - первый электронный ключ, 7 - первый усилитель, 8 - первый стробоскопический преобразователь, 9 - устройство синхронизации и обработки сигнала, 10 - вторая приемная антенна, 11 - второй электронный ключ, 12 - второй усилитель, 13 - второй стробоскопический преобразователь.

Принцип работы радиолокатора подповерхностного зондирования основан на использовании метода сверхширокополосного радиолокационного зондирования подповерхностных сред и объектов (Подповерхностная радиолокация / М.И. Финкельштейн, В.И. Карпухин, В.А. Кутев, В.Н. Метелкин; под ред. М.И. Финкельштейна. - М.: Радио и связь, 1994. - 216 с), при котором оцениваются характеристики нестационарного электромагнитного поля, формируемого при рассеянии от неоднородностей, включений и границ после их облучения последовательностью поляризационно-манипулированных сверхкоротких радиоимпульсов. Поляризационная манипуляция зондирующих сигналов реализует режим последовательного облучения подповерхностной среды электромагнитными волнами с ортогональными поляризациями, что позволяет выполнить поляризационную обработку сигналов, рассеянных неоднородностями и принятых антеннами ортогональных поляризаций. Результатами поляризационной обработки является выделение поляризационно-анизотропных и поляризационно-изотропных объектов.

Радиолокатор подповерхностного зондирования работает следующим образом.

Устройство синхронизации и обработки сигналов формирует на своем первом выходе сигналы запуска стробоскопических преобразователей 8, 13 и электронных ключей 6, 11 в моменты времени

t=nΤ, n=1, 2, 3…

где Τ - период следования синхроимпульсов.

Устройство синхронизации и обработки сигналов формирует на своем втором выходе сигналы запуска в моменты времени

t=2nT, n=1, 2, 3…

что приводит к формированию на выходе генератора видеоимпульсов 2 сверхкоротких импульсов, с последующим их излучением в подповерхностную среду передающей антенной 1 с фиксированной поляризацией.

Устройство синхронизации и обработки сигналов формирует на своем третьем выходе сигналы запуска в моменты времени

t=(2n-1)Т, n=1, 2, 3…

что приводит к формированию на выходе генератора видеоимпульсов 4 сверхкоротких импульсов, с последующим их излучением в подповерхностную среду передающей антенной 3 с ортогональной поляризацией.

Выбор фиксированной и ортогональной поляризации излученного сигнала связан с выбором типа антенн и их поляризационных характеристик, при этом возможно использование круговых поляризаций правого и левого направления вращения, линейных вертикальной и горизонтальной поляризаций, эллиптических поляризаций правого и левого направления вращения. В предлагаемом устройстве возможно использование пространственно совмещенных антенн Вивальди, спиральных антенн, дипольных антенн и других сверхширокополосных антенн с ортогональными поляризационными характеристиками.

Неоднородности, границы раздела, пустоты и разуплотнения подповерхностной среды рассеивают зондирующие сверхкороткие импульсы, при этом, обратно рассеянные сигналы улавливаются приемной антенной 5 фиксированной поляризации и приемной антенной 10 ортогональной поляризацией. Приемные антенны 5 и 10 ортогональных поляризаций образуют поляризационный базис, в котором измеряются изменения поляризационных характеристик обратно рассеянных сигналов от неоднородностей в подповерхностной среде. Так известно, что металлические штыри, из которых состоит арматура бетонных свай, блоков, плит (Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / под ред. А.Ю. Гринева. - М.: Радиотехника, 2005. - 416 с.) хорошо отражают линейно-поляризованные электромагнитные волны, плоскость поляризации которых соответствует ориентации стержней арматуры, и слабо отражают линейно-поляризованные электромагнитные волны, плоскость поляризации которых образует перпендикуляр по отношению к направлению ориентации стержней арматуры; указанные свойства позволяют классифицировать арматуру как поляризационно-анизотропный объект, что создает физическую основу для его выделения по результатам поляризационной обработки принятых сигналов. Границы раздела бетонных свай и почвогрунтов, в следствии своего однородного и симметричного конструктивного исполнения в горизонтальной плоскости, наоборот, некритичны к поляризации зондирующих сверхширокополосных сигналов, в следствии чего улавливаемые приемными антеннами 5 и 10 обратно-рассеянные границами раздела радиосигналы не имеют существенного отличия по уровню; указанные свойства позволяют классифицировать границу бетонной сваи и грунта как поляризационно-изотропный объект, что создает основу для его выделения по результатам поляризационной обработки принятых сигналов.

Принятые антеннами 5 и 10 сверхширокополосные сигналы поступают в электронные ключи 6 и 11, которые открываются на длительность 100-300 не, что соответствует глубине зондирования в 5-15 м. Усилители 7 и 12 компенсируют затухание обратно рассеянных сигналов в подповерхностной среде. Стробоскопические преобразователи 8 и 13 выполняют масштабно-временное преобразование и переводят принятые сверхкороткие импульсы в цифровую форму, необходимую для дальнейшей обработки. Устройство синхронизации и обработки сигналов 9 реализует различные режимы работы радиолокатора:

1. Режим поляризационной манипуляции зондирующих сигналов, как основной режим работы, в котором формируются три типа запускающих сигналов - сигнал запуска стробоскопических преобразователей 8 и 13 и электронных ключей 6 и 11, сигнал запуска генератора видеоимпульсов 2, сигнал запуска генератора видеоимпульсов 4, в результате чего происходит прием обратно рассеянных сигналов в приемной антенне 5 и 10 и выделение неоднородностей в подповерхностной среде по результатам анализа уровней принятых сигналов и поляризационной обработке сигналов.

Приведем пример обработки сигналов при радиолокационном зондировании бетонной сваи в диапазоне частот 100-250 МГц линейными поляризационно-манипулированными сигналами: на фиг. 2а приведено радиолокационное изображение сваи, на фиг. 2б приведена маска границы раздела сред, на рис. 2в приведены результаты корреляционной обработки радиолокационного изображения сваи, на рис. 3 а приведено бинарное изображение сваи с выделенными границами раздела сред, на рис. 3б приведены результаты реконструкции длины сваи.

2. Режим фиксированной поляризации зондирующего сигнала, как вспомогательный режим работы, в котором запуск стробоскопических преобразователей 8 и 13, электронных ключей 6 и 11 осуществляется синхронно с запуском генератором видеоимпульсов 2 (или генератором видеоимпульсов 4), осуществляется прием обратно рассеянных сигналов в приемной антенне 5 и 10 и выделение неоднородностей в подповерхностной среде по результатам анализа уровней принятых сигналов.

Формула полезной модели

1. Радиолокатор подповерхностного зондирования, содержащий последовательно соединенные генератор видеоимпульсов и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, электронный ключ, усилитель, стробоскопический преобразователь и устройство синхронизации и обработки сигнала, первый выход которого соединен с управляющим входом стробоскопического преобразователя и управляющим входом электронного ключа, а первый сигнальный вход устройства синхронизации и обработки сигнала подключен к выходу стробоскопического преобразователя, отличающийся тем, что в состав радиолокатора дополнительно введены последовательно соединенные второй генератор видеоимпульсов и вторая передающая антенна, последовательно соединенные вторая приемная антенна, второй электронный ключ, второй усилитель, второй стробоскопический преобразователь, при этом, к первому выходу устройства синхронизации и обработки сигнала подключены управляющий вход второго стробоскопического преобразователя и управляющий вход второго электронного ключа, ко второму выходу устройства синхронизации и обработки сигнала подключен вход первого генератора видеоимпульсов, к третьему выходу устройства синхронизации и обработки сигнала подключен вход второго генератора видеоимпульсов, ко второму сигнальному входу устройства синхронизации и обработки сигнала подключен выход второго стробоскопического преобразователя.

2. Радиолокатор подповерхностного зондирования по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая передающие антенны имеют ортогональные поляризации и осуществляют излучение сверхкоротких радиоимпульсов, при этом, излучение первой передающей антенны происходит в первом полупериоде поляризационной модуляции, а излучение второй передающей антенны происходит во втором полупериоде поляризационной модуляции.

3. Радиолокатор подповерхностного зондирования по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая приемные антенны имеют ортогональные поляризации и осуществляют прием поляризационно манипулированных сигналов.

Изобретение "РАДИОЛОКАТОР ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ" (Шошин Евгений Леонидович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога