Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к георадарам, и может быть использовано при зондировании земляного полотна и для обследования подземных сооружений, тоннелей. Сущность изобретения: устройство подповерхностного радиолокационного зондирования содержит генератор 1 ЧМ сигнала, вход которого соединен с выходом модулятора 2, а выход через последовательно соединенные ответвитель 13, предварительный усилитель 14, блок 15 задержки и усилитель 3 мощности подключен к передающей антенне 4. Две приемные антенны 5 и 7 пространственно разнесенны между собой и подключены к переключателю 8, который по сигналу управления от ПЭВМ 16 пропускает на первый вход смесителя 6 сигнал от одной из приемных антенн 5 или 7, где смешивается с опорным сигналом, который поступает на второй вход смесителя 6 через ответвитель 13 с выхода генератора 1 ЧМ сигнала. Выход смесителя 6 соединен через узкополосный фильтр 9 с входом усилителя 10 сигналов дальномерных частот, входы управления которого соединены с вторыми выходами ПЭВМ 16. Выход усилителя 10 сигналов дальномерных частот через кварцевый фильтр 11 соединен с входом АЦП 12, выходы которого соединены с входами ПЭВМ 16, третьим выходы которой соединены с входами управления и сигнальными входами модулятора 2. К ПЭВМ 16 подключены датчик 17 местоположения и блок 18 отображения и выдачи информации. Две приемные антенны разнесены между собой для определения скорости распространения радиоволн в зондируемой среде. Устройство позволяет проводить зондирование на большие глубины с высокой разрешающей способностью и высокой скоростью обработки геофизической информации. 6 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к георадарам, и может быть использовано при зондировании земляного полотна и для обследования подземных сооружений, тоннелей.

Известно устройство для определения подповерхностной структуры слоистых земных покровов, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, генератор видиоимпульсов, переключатель прием-передача, линию задержки и антенну и приемный блок с индикатором, причем выход генератора тактовых импульсов соединен через линию задержки с управляющим входом приемного блока и через делитель частоты с индикатором, а второй выход переключателя прием-передача соединен с входом приемного блока (авт. св. СССР N 995040, кл. G 01 S 13/02, 1983).

Недостатком известного устройства является то, что оно имеет недостаточный диапазон регистрируемых толщин при малой точности измерения.

Известен радиолокационный измеритель толщины ледяного покрова, который содержит передающее устройство, включающее СВЧ-генератор частотно-модулированных сигналов, генератор пилообразного напряжения и передающую антенну, и приемное устройство, включающее приемную антенну, детектор, многоканальный фильтр, схему переключения каналов, измеритель частоты, многоканальный интегратор и регистратор (авт. св. СССР N 1240211, кл. G 01 S 13/95, 1990).

Недостатком известного устройства является то, что оно имеет недостаточную точность измерения и не позволяет проводить исследования на большие глубины.

Известен метеорологический ЛЧМ-радар с непрерывным сигналом, который содержит последовательно соединенные модулятор, генератор высокой частоты и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, усилитель высокой частоты и смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора высокой частоты. Выход смесителя через гребенчатый режекторный фильтр подключен к формирователю импульсов и анализатору спектра (авт. св. СССР N 1751708, кл. G 01 S 13/00, 1992).

Метеорологический ЛЧМ-радар с непрерывным сигналом по авт. св. N 1751708 по общности решаемых задач и функционально-структурной схеме наиболее близок к изобретению и выбран в качестве прототипа.

Однако известное устройство имеет ограниченные возможности: не позволяет проводит исследования на большие глубины с требуемой точностью, имеет недостаточную разрешающую способность.

Задачей изобретения является создание устройства подповерхностного радиолокационного зондирования, позволяющего проводить зондирование на большие глубины с высокой разрешающей способностью и высокой скоростью обработки геофизической информации.

Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство подповерхностного радиолокационного зондирования, содержащее генератор чатотно-модулированного сигнала, вход которого соединен с выходом модулятора, последовательно соединенные усилитель мощности и передающую антенну приемную антенну и смеситель, введены вторая приемная антенна, переключатель, последовательно соединенные узкополосный фильтр, усилитель сигналов дальномерных частот, кварцевый фильтр и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ответвитель, предварительный усилитель, блок задержки, датчик местоположения, персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ) и блок отображения и выдачи информации.

Первая и вторая приемные антенны пространственно разнесенны между собой и через переключатель, вход управления которого соединен с первым выходом ПЭВМ, соединены с первым входом смесителя, выход которого соединен с входом узкополосного фильтра, выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с первыми входами ПЭВМ, второй вход которой соединен с выходом датчика местоположения, вторые и третьи выходы ПЭВМ соединены соответственно с входами управления усилителя сигналов дальномерных частот и с входами управления и сигнальными входами модулятора, выход генератора частотно-модулированного сигнала соединен через ответвитель с вторым входом смесителя и с входом предварительного усилителя, выход которого соединен через блок задержки с входом усилителя мощности, четвертые выходы ПЭВМ соединены с входами блока отображения и выдачи информации. Второй вход модулятора является входом напряжения смещения.

На фиг. 1 показана функционально-структурная схема устройства подповерхностного радиолокационного зондирования; на фиг. 2 блок-схема усилителя сигналов дальномерны частот; на фиг. 3 блок-схема модулятора; на фиг. 4 графическая иллюстрация определения скорости распространения радиоволн в среде; на фиг. 5 временная диаграмма работы устройства; на фиг. 6а, б амплитудно-частотная характеристика устройства (спектры сигналов дальномерных частот для первого (а) и второго (б) периодов излучения.

Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования (фиг. 1) содержит генератор 1 частотно-модулированного сигнала, модулятор 2, усилитель 3 мощности, передающую антенну 4, первую и вторую приемные антенны 5 и 7, смеситель 6, переключатель 8, узкополосный фильтр 9, усилитель 10 сигналов дальномерных частот, кварцевый фильтр 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, ответвитель 13, предварительный усилитель 14, блок 15 задержки, персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ) 16, датчик 17 местоположения и блок 18 отображения и выдачи информации.

В устройстве подповерхностного радиолокационного зондирования (фиг. 1) выход генератора 1 частотно-модулированного сигнала, вход которого соединен с выходом модулятора 2, подключен через последовательно соединенные ответвитель 13, предварительный усилитель 14, блок 15 задержки и усилитель 3 мощности к передающей антенне 4. Первая и вторая приемные антенны 5 и 7 пространственно разнесены между собой и соединены через переключатель 8, вход управления которого соединен с первым выходом ПЭВМ 16, с первым входом смесителя 6, второй вход которого соединен с вторым выходом ответвителя 13. Выход смесителя 6 соединен через узкополосный фильтр 9 с первым входом усилителя 10 сигналов дальномерных частот, входы управления которого соединены с вторыми выходами ПЭВМ 16.

Выход усилителя 10 сигналов дальномерных частот соединен через кварцевый фильтр 11 с входом АЦП 12, выходы которого соединены с первыми входами ПЭВМ 16, второй вход которой соединен с выходом датчика 17 местоположения. Третьи выходы ПЭВМ 16 соединены с входами управления и сигнальными входами модулятора 2, на второй вход которого подается напряжение смещения. Четвертые выходы ПЭВМ 16 соединены с входами блока 18 отображения и выдачи информации.

Усилитель 10 сигналов дальномерных частот (фиг. 2) содержит два резонансных усилителя 19 и 20, эмиттерный повторитель 21, резисторы 22 и 24, два блока 23 и 25 транзисторных ключей, два дешифратора 26 и 27, причем на вход резонансного усилителя 19 поступает сигнал с выхода узкополосного фильтра 9. Входы блоков 23 и 25 транзисторных ключей через соответствующие резисторы 22 и 24 подключены к шине нулевого потенциала. Параллельный код управления усилением от ПЭВМ 16 поступает через дешифраторы 26 и 27 соответственно на входы управления блоков 23 и 25 транзисторных ключей. Объединенный выход блока 23 транзисторных ключей соединен с входом управления резонансного усилителя 19, а объединенный выход блока 25 транзисторных ключей соединен с входом управления резонансного усилителя 20, выход которого соединен с входом эмиттерного повторителя 21, выход которого является выходом усилителя 10 сигналов дальномерных частот.

Модулятор 2 (фиг. 3) содержит интегратор 28 со сбросом, два операционных усилителей 29, 31 и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАР) 30, причем на сигнальные входы модулятора 2 (вход "начала цикла" и вход "сброс" интегратора 28 со сбросом) поступают сигналы от ПЭВМ 16. Выход интегратора 28 со сбросом соединен через операционный усилитель 29, на второй вход которого подается напряжение смещения, с сигнальным входом ЦАП 30, на второй вход которого поступает код управления амплитудой от ПЭВМ 16. Выход ЦАП 30 соединен с входом операционного усилителя 31, выход которого соединен с входом обратной связи ЦАП 30 и является выходом пилообразного сигнала модулятора 2.

На фиг. 4 обозначены: ПРД передающая антенна, ПРМ1 и ПРМ2 первая и вторая приемные антенны, L1 расстояние между передающей антенной и первой приемной антенной, L2 расстояние между передающей антенной и второй приемной антенной, h глубина зондирования.

На фиг. 5 обозначены: F_вых(ПРД) выходная частота передатчика, F_вх (ПРМ) выходная частота приемника, F_дч дальномерная частота, τ_з задержка по времени, 1, 2 и 3 первый, второй и третий периоды излучения.

На фиг.6 обозначены: F_дч дальномерная частота, K_кв (F) - амплитудно-частотная характеристика кварцевого фильтра, 1 диапазон частот, соответствующий диапазону рабочих глубин устройства, 2 спектры сигналов, отраженных от целей.

Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования работает следующим образом.

Работа устройства основана на излучении передатчиком сверхширокополосных импульсов с внутриимпульсной частотной модуляцией и приеме приемной антенной сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные физико-механические и электрические характеристики, такие как диэлектрическая проницаемость и удельное затухание электромагнитных волн. По времени запаздывания (t) отраженных импульсов и скорости распространения радиоволн определяется глубина (h) залегания отражающего слоя. Такими границами раздела в зондируемых средах являются границы раздела между породами различного литологического и гранулометрического состава, мерзлыми и талыми грунтами, рыхлыми покровными и коренными породами и т.п.

Частотно-модулированный сигнал с генератора 1, промодулированный пилообразным напряжением с выхода модулятора 2, поступает через ответвитель 13 в предварительный усилитель 14.

Усиленный сигнал задерживается в блоке 15 задержки на время равное 50 - 100 нс для смещения спектров сигналов дальномерных частот в более высококачественный диапазон, для исключения влияния помех с частотой модуляции и ее гармоник.

Сигнал после усиления усилителем 3 мощности излучается передающей антенной 4 и после отражения от цепи (зондируемой среды) принимается приемными антеннами 5 и 7, пространственно разнесенными между собой, причем первая приемная антенна 5 устанавливается в непосредственной близости относительно передающей антенны 4, а вторая приемная антенна 7 устанавливается на расстоянии 0,5 1 м относительно передающей антенны 4. Две приемные антенны разнесены между собой для определения скорости распространения радиоволн в зондируемой среде, так как скорость распространения радиоволн в среде при подповерхностном радиолокационном зондировании неизвестна, зависит от конкретного состава среды и определяется по формуле где L₁ расстояние между передающей антенной и первой приемной антенной, L₂ расстояние между передающей антенной и второй приемной антенной (фиг. 4), τ₁ задержка распространения сигнала от передающей антенны (А ПРД) до первой приемной антенны (А1 ПРМ), τ₂ задержка распространения сигнала от передающей антенны (А ПРД) до второй приемной антенны (А2 ПРМ).

Переключатель 8, управляемый от ПЭВМ 16, пропускает на первый вход смесителя 6 сигнал от одной из приемных антенн 5 или 7, где смешивается с опорным сигналом, который поступает на второй вход смесителя 6 через ответвитель 13 с выхода генератора 1 частотно-модулированного сигнала.

Сигналы дальномерных частот после узкополосной фильтрации в фильтре 9 усиливаются в усилителе 10, на вторые входы которого поступает параллельный код управления усилением от ПЭВМ 16.

Усиленные сигналы фильтруются кварцевым фильтром 11 для выделения сигнала от наблюдаемой в данный момент цели и, после преобразования в цифровой вид в АЦП 12, поступают на первые входы ПЭВМ 16, на второй вход которой поступают сигналы с датчика 17 местоположения.

ПЭВМ 16 производят анализ информации, вычисляет глубину h залегания зондируемого слоя по полученным данным и формирует код управления усилением для усилителя 10 сигналов дальномерных частот и код управления амплитудой для модулятора 2. Изменение амплитуды влияет на величину крутизны нарастания частоты выходного сигнала (фиг. 5), что позволяет последовательно просматривать чередующиеся слои зондируемой среды (фиг. 6).

Кроме того, на сигнальные входы модулятора 2 (вход "начала цикла" и вход "сброс" интегратора 28 со сбросом) поступают сигналы от ПЭВМ 16.

Результаты вычислений передаются от ПЭВМ 16 в блок 18 отображения и выдачи информации.

Предлагаемое устройство подповерхностного радиолокационного зондирования позволяет проводить зондирование на большие глубины с высокой разрешающей способностью и высокой скоростью обработки геофизической информации. Широкие возможности устройства при решении инженерно-геологических задач и его относительно невысокая стоимость позволяют обеспечить изобретению большое практическое применение.

Формула изобретения

Устройство подповерхностного радиолокационного зондирования, содержащее генератор частотно-модулированного сигнала, вход которого соединен с выходом модулятора, последовательно соединенные усилитель мощности и передающую антенну, приемную антенну и смеситель, отличающееся тем, что в него введены вторая приемная антенна, переключатель, последовательно соединенные узкополосный фильтр, усилитель сигналов дальномерных частот, кварцевый фильтр и аналого-цифровой преобразователь, ответвитель, предварительный усилитель, блок задержки, персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ), обеспечивающая вычисление глубины залегания зондируемого слоя по полученным данным, формирование кода управления усилением для усилителя сигналов дальномерных частот и формирование кода управления для модулятора, датчик местоположения и блок отображения и выдачи информации, причем первая и вторая приемные антенны пространственно разнесены между собой и соединены через переключатель, вход управления которого соединен с первым входом ПЭВМ, с первым входом смесителя, выход которого соединен с входом узкополосного фильтра, выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с первыми входами ПЭВМ, второй вход которой соединен с выходом датчика местоположения, вторые и третьм выходы ПЭВМ соединены соответственно с входами управления усилителя сигналов дальномерных частот и с входами управления и сигнальными входами модулятора, выход генератора частотно-модулированного сигнала соединен через ответвитель с вторым входом смесителя и с входом предварительного усилителя, выход которого соединен через блок задержки с входом усилителя мощности, четвертые выходы ПЭВМ соединены с входами блока отображения и выдачи информации, а второй вход модулятора является входом напряжения смещения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6