СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИИ ОБЪЕКТОВ В СЛАБОПРОВОДЯЩИХ СРЕДАХ

Название	СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИИ ОБЪЕКТОВ В СЛАБОПРОВОДЯЩИХ СРЕДАХ
Разработчик (Авторы)	Кисмерешкин Владимир Павлович, Майстренко Василий Андреевич, Лобов Константин Владимирович, Колесников Андрей Викторович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2513671
Дата регистрации	20.04.2014
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет"
Область применения (класс МПК)	G01V 3/12 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области техники, занимающейся подповерхностной радиолокацией объектов.

Известен способ (аналог), реализованный в унифицированном генераторно-измерительном комплексе крайне низких и сверхнизких частот для геофизических исследований [Патент РФ 2188439 C2 G01V 3/12, опубл. 2002 г.]. Способ-аналог заключается в возбуждении зондирующего синусоидального сверхнизкочастотного (СНЧ) электромагнитного колебания, приеме и обработке отраженных колебаний и отображении результата. В известном способе применяется «n» генераторов синусоидального СНЧ тока, подключенных к единому задающему генератору, нагруженных на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные передающие антенны с заземлителями на концах. В измерительном комплексе содержатся «n» электрических и магнитных каналов приема, в состав которых входят электрическая и магнитная приемные антенны соответственно и модули обработки сигналов.

Реализованный в устройстве способ имеет ряд недостатков:

- необходимость использования дополнительного оборудования регистрации отраженных электромагнитных колебаний, невозможность использования одной антенны для излучения и приема зондирующих колебаний;

- требуется размещение «n» передающих антенн над почвой с различными электрическими параметрами, что не всегда выполнимо.

Известен также способ электромагнитного зондирования земной коры с использованием нормированных источников поля [Патент РФ 2093863, МКИ 6 G01V 3/12, опубл. 1997 г.]. Способ-прототип заключается в возбуждении зондирующего синусоидального СНЧ электромагнитного колебания, приеме и обработке отраженных колебаний и отображении результата. Диапазон рабочих частот - единицы, десятки или сотни Гц. Способ-прототип реализован в устройстве, содержащем два генератора синусоидального тока, которые нагружены на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные и заземленные на концах антенны. Возможна работа в двух режимах: в первом - излучение осуществляется одним из радиопередающих модулей (соответственно - одним генератором и одной антенной), в другом - двумя радиопередающими модулями. Регистрация излучения, создаваемого СНЧ-радиоустановкой, осуществляется с помощью измерительного комплекса «БОРОК» ОИФЗ РАН. Такой комплекс представляет собой совокупность датчиков геофизических величин, измерительных усилителей и аналоговых фильтров, системы регистрации и службы времени. По сравнению со способом-аналогом массогабаритные показатели устройства и потребляемая мощность меньше в n раз, что связано с использованием в способе-аналоге «n» генераторов синусоидального тока.

Недостатками способа-прототипа являются:

- необходимость использования дополнительного оборудования регистрации отраженных колебаний, невозможность использования одной антенны для излучения и приема зондирующих колебаний.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа радиолокации подповерхностных объектов, обеспечивающего возможность исследования объектов на большой глубине (сотни и тысячи метров) электромагнитными колебаниями, излучаемыми и принимаемыми одной антенной.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе радиолокации объектов в слабопроводящих средах, по которому зондируют среду сверхнизкочастотными электромагнитными колебаниями с последующим приемом и обработкой отраженных от объекта колебаний, согласно заявляемому изобретению, периодически переключают антенну с генератора на приемник таким образом, что в моменты подключения генератора приемник отключен, а в моменты отключения генератора антенна соединена с приемником, полученными таким образом сверхнизкочастотными электромагнитными колебаниями осуществляют зондирование, а прием ведут в моменты отсутствия сигнала генератора на антенне, принятый сигнал восстанавливают по форме до гармонического фильтрацией на частоте генератора и сравнивают по фазе с сигналом генератора и по разности фаз Δφ производят вычисление глубины залегания объекта по формуле:

где H - расстояние до отражающего объекта,

ω - угловая частота,

υср - скорость распространения волн в среде,

Δφ - разность фаз между сигналом генератора и восстановленным сигналом:

Δφ=ωΔt,

где Δt - время задержки.

Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что наиболее оптимальной является частота коммутации, не менее чем в десять раз превышающая частоту гармонического сигнала генератора и кратная ей, а временные отрезки излучения и приема зондирующих колебаний равны между собой.

Сущность изобретения поясняется ниже на примерах компьютерного моделирования и математических расчетов со ссылками на чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает эпюры сигналов, а именно: фиг.1а - сигнала генератора, фиг.1б - излучаемого сигнала, фиг.1в - принимаемого приемником, фиг.1г - обрабатываемого, фиг.1д - восстановленного.

Фиг.2 представляет блок-схему устройства для реализации предлагаемого способа радиолокации, где блок 1 - генератор, 2 - приемник, 3 - коммутатор, 4 - антенна, 5 - объект отражения, 6 - устройство обработки информации, 7 - блок синхронизации.

Излучаемые колебания можно назвать разрывными, то есть колебаниями, полученными из гармонических колебаний, которые формирует генератор, путем периодического переключения антенны с генератора на приемник таким образом, что в моменты подключения генератора приемник отключен, а в моменты отключения генератора антенна соединена с приемником, при этом частота коммутации в десять и более раз превышает частоту генератора и кратна ей. Условие кратности частоты коммутации частоте генератора позволяет получить целое число импульсов в периоде гармонического колебания. Математически функцию разрывного колебания (Sp) можно записать как произведение гармонического колебания (с частотой f) и периодической последовательности однополярных импульсов (Sи) с частотой, в десять и более раз большей частоты гармонического колебания, и скважностью

Sp(t)=cos(2πft)·Sи(t),

где n=0, 1, 2 …;

Tп - период импульсной последовательности;

Ти - длительность отдельного импульса,

где k показывает, во сколько раз период гармонического колебания меньше периода импульсной последовательности.

Скважность

приводит к равенству временных отрезков излучения и приема зондирующих колебаний.

Земная кора является слабопроводящей средой, т.к. обладает свойствами проводника и диэлектрика [Р.Кинг, Г.Смит. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах. Кн.1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. С.408-413]. Зондирующий сигнал является широкополосным, ширина спектра возрастает с ростом частоты коммутации. В процессе его распространения в слабопроводящей среде он меняет свою форму: из-за поглощения средой электромагнитного колебания общий уровень сигнала снижается, из-за дисперсии (различная скорость распространения и затухание спектральных компонент) «расплываются» фронты импульсов, из-за процесса отражения значительно снижается уровень (отражается лишь часть сигнала).

На фиг.1 приведены эпюры сигналов, которые являются результатом компьютерного моделирования, проведенного в соответствии с [Неганов В.А. и др. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебное пособие / Под ред. В.А.Неганова и С.Б.Раевского. Изд. 3-е, доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2007. С.116-117] и представляют простейший случай излучения, отражения от объекта с меньшей электрической плотностью (удельная проводимость среды распространения больше удельной проводимости объекта отражения), приема и фильтрации отраженного сигнала (выделение частоты генератора). В зависимости от параметров сред (диэлектрической проницаемости s и удельной проводимости а) эпюры сигналов будут различаться (при большей электрической плотности среды распространения «расплывание» фронтов зондирующего сигнала из-за дисперсии будет более выраженным, при большей электрической плотности объекта отражения по сравнению со средой распространения сигнала его полярность изменится и т.д.).

Частота коммутации не может быть меньше частоты дискретизации по теореме Котельникова. Согласно компьютерным экспериментам оптимальной является частота коммутации в 10·f, где f - частота гармонического сигнала генератора. При меньшей частоте коммутации увеличивается количество спектральных компонент вблизи f, что усложняет фильтрацию обрабатываемого сигнала и определение разницы фазы обрабатываемого сигнала и сигнала генератора. При большей частоте коммутации качество фильтрации почти не меняется, но увеличивается ширина спектра излучаемого колебания в область высоких частот и потеря энергии сигналом из-за того, что с увеличением частоты увеличивается затухание спектральных компонент, фильтруемых при обработке отраженного колебания, что является энергетически нецелесообразным.

Расчеты, проведенные для частоты зондирования 25 Гц для слабопроводящих сред с различающимися параметрами в соответствии с [Неганов В.А. и др. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебное пособие / Под ред. В.А.Неганова и С.Б.Раевского. Изд. 3-е, доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2007, С.96-100] сведены в таблицу 1.

Согласно результатам компьютерного эксперимента и проведенным расчетам заявляемый способ радиолокации подповерхностных объектов возможен в пределах нескольких километров.

Способ осуществляется следующим образом. Генератор гармонических колебаний СНЧ диапазона 1 и приемник этих колебаний 2 подключены к коммутатору 3 таким образом, что к антенне 4 в тот или иной момент времени оказывается подключенным приемник либо передатчик. Коммутатор 3 периодически со скважностью

непрерывно осуществляет переключение. Сигнал с выхода генератора 1 подается на устройство обработки информации и на антенну через коммутатор, антенна излучает зондирующее разрывное колебание, которое, пройдя толщу среды с минимальным затуханием, отразится от объекта отражения 5, и в моменты, когда отключен генератор, регистрируется и восстанавливается приемником 2 и обрабатывается устройством обработки информации 6, вычисляющем время задержки, разность фаз с исходным сигналом и глубину объекта отражения. Работу устройств 1-6 синхронизирует блок синхронизации 7.

Таким образом, заявленный способ радиолокации объектов в слабопроводящих средах может быть реализован и позволяет проводить зондирование подповерхностных объектов на большой глубине с использованием одной антенны. Данный результат достигается использованием разрывных электромагнитных колебаний сверхнизкой частоты. Разность фаз между излучаемым и обрабатываемым сигналами содержит информацию о глубине залегания объекта.

Формула изобретения

1. Способ радиолокации объектов в слабопроводящих средах, состоящий в зондировании среды сверхнизкочастотными электромагнитными колебаниями и последующем приеме и обработке отраженных от объекта колебаний, отличающийся тем, что периодически переключают антенну с генератора на приемник таким образом, что в моменты подключения генератора приемник отключен, а в моменты отключения генератора антенна соединена с приемником, полученными таким образом сверхнизкочастотными электромагнитными колебаниями осуществляют зондирование, а прием ведут в момент отсутствия сигнала генератора на антенне, принятый сигнал восстанавливают по форме до гармонического фильтрацией на частоте генератора и сравнивают по фазе с сигналом генератора и по разности фаз Δφ производят вычисление глубины залегания объекта по формуле:

где H - расстояние до отражающего объекта,
ω - угловая частота,
υср - скорость распространения волн в среде,
Δφ - разность фаз между сигналом генератора и восстановленным сигналом:
Δφ=ωΔt,
где Δt - время задержки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частота коммутации не менее чем в десять раз превышает частоту сигнала генератора и кратна ей, а временные отрезки излучения и приема зондирующих колебаний равны.

Изобретение "СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИИ ОБЪЕКТОВ В СЛАБОПРОВОДЯЩИХ СРЕДАХ" (Кисмерешкин Владимир Павлович, Майстренко Василий Андреевич, Лобов Константин Владимирович, Колесников Андрей Викторович ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога