ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ РАДИОЛОКАТОР
GEOPHYSICAL RADAR SET

Предлагаемый радиолокатор относится к геофизике, в частности к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты, и может быть использован при разведке полезных ископаемых, а также для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей в исследуемом подповерхностном слое земной поверхности.
Известны устройства для геоэлектроразведки (авт. свид. СССР №№397.877, 455.307, 746.370, 817.640, 1.100.603, 1.151.900, 1.247.805, 1.300.396, 1.420.574, 1.553.933, 1.721.566; патенты РФ №№2.044.331, 2.105.330, 2.194.292, 2.234.112, 2.256.941, 2.375.729; патенты США №№5.819.859, 6.677.201; Петровский Н.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. - М., 1971 и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Геофизический радиолокатор» (патент РФ №2.375.729, G01V 3/12, 2008), который и выбран в качестве прототипа.
Принцип работы указанного радиолокатора основан на методе сверхширокополосного радиолокационного зондирования, при котором оценивается изменение нестационарного электромагнитного поля, образованного отраженными от подповерхностного объекта электромагнитными волнами после его получения зондирующим радиосигналом, в качестве которого используется последовательность радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного). При этом разделение приемопередающих каналов в эфире осуществляется с помощью двух антенн (передающей и приемной), которые образуют двухантенный блок.
Для исключения прямого излучения передатчика и отражений от поверхности воздух-грунт и от слоев с различной глубиной залегания в известном радиолокаторе используется «стробирование по вертикали».
Кроме того, известный радиолокатор обеспечивает автоматическое измерение глубины расположения подповерхностных объектов путем корреляционной обработки зондирующего и отраженных сигналов.
з
з
Для точного измерения глубины залегания подповерхностных объектов необходимо возможно точнее определить значение регулируемого запаздывания τ, соответствующее максимуму корреляционной функции R(τ). Однако в области максимума корреляционная функция имеет очень малую крутизну и изменяется незначительно при изменениях τ (фиг.2,а). Гораздо более благоприятной для поиска максимума является форма производной от корреляционной функции dR(τ)/dt. В точке τ=τ производная имеет значительную крутизну и, кроме того, меняет знак в зависимости от положения относительно точки τ=0.
Таким образом, отыскание максимума корреляционной функции (максимальный принцип - экстремальная задача) заменяется минимальным принципом измерения - стабилизацией нулевого значения регулируемой величины. Этот принцип позволяет значительно повысить точность и чувствительность измерителя.
Технической задачей изобретения является повышение точности и чувствительности автоматического измерения глубины залегания подповерхностных объектов путем использования производной корреляционной функции dR(τ)/dt.
Поставленная задача решается тем, что геофизический радиолокатор, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно включенные блок обработки и управления, интерфейс, передатчик, в качестве которого использован генератор ударного возбуждения и к второму выходу которого подключена передающая антенна, первый смеситель стробоскопического преобразователя, второй вход которого через первый формирователь строба соединен с вторым выходом интерфейса, и триггер, второй вход которого соединен с вторым выходом блока регулируемой задержки, последовательно включенные приемную антенну, второй смеситель стробоскопического преобразователя, второй вход которого через второй формирователь строба соединен с третьим выходом интерфейса, ключ, второй вход которого соединен с выходом триггера, первый усилитель, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с четвертным выходом интерфейса, к пятому, шестому и седьмому выходам которого подключены блок обработки и управления, звуковой и жидкокристаллический индикаторы соответственно, линия задержки, блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, интегратор, блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блок сравнения, второй вход которого через формирователь эталонного напряжения соединен с восьмым выходом интерфейса, и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к второму входу интерфейса, последовательно подключенные к первому выходу передатчика блок регулируемой задержки, перемножитель и фильтр нижних частот, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен вторым усилителем, дифференциатором, и индикатором глубины залегания подповерхностных объектов, причем второй вход блока регулируемой задержки через второй усилитель соединен с выходом фильтра нижних частот, второй вход перемножителя через дифференциатор соединен с выходом второго смесителя, к второму выходу блока регулируемой задержки подключен индикатор глубины залегания подповерхностных объектов.
Структурная схема предлагаемого радиолокатора представлена на фиг.1. Примерный вид корреляционной функции R(τ) и ее производной dR(τ)/dτ показаны на фиг.2 (а, б).
Геофизический радиолокатор содержит последовательно включенные блок 1 обработки и управления, интерфейс 2, передатчик 3, в качестве которого использован генератор ударного возбуждения и к второму выходу которого подключена передающая антенна 4, первый смеситель 5 стробоскопического преобразователя, второй вход которого через первый формирователь 6 строба соединен с вторым выходом интерфейса 2, и триггер 12, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 25 регулируемой задержки, последовательно включенные приемную антенну 7, второй смеситель 10 стробоскопического преобразователя, второй вход которого через второй формирователь 9 строба соединен с третьим выходом интерфейса 2, ключ 13, второй вход которого соединен с выходом триггера 12, первый усилитель 15, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь 14 соединен с четвертым выходом интерфейса 2, к пятому, шестому и седьмому выходам которого подключены блок 1 обработки и управления, звуковой 17 и жидкокристаллический 18 индикаторы соответственно, линия 19 задержки, блок 20 вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя 15, интегратор 21, блок 22 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 20 вычитания, блок 24 сравнения, второй вход которого через формирователь 23 эталонного напряжения соединен с восьмым выходом интерфейса 2, и аналого-цифровой преобразователь 16, выход которого подключен к второму входу интерфейса 2, последовательно подключенные к первому выходу передатчика 3 блок 25 регулируемой задержки, перемножитель 26, второй вход которого через дифференциатор 29 соединен с выходом второго смесителя 10 стробоскопического преобразователя, фильтр 27 нижних частот и второй усилитель 28, выход которого подключен к второму входу блока 25 регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор 30 глубины залегания подповерхностных объектов. Блок 25 регулируемой задержки, перемножитель 26, фильтр 27 нижних частот и второй усилитель 28 образуют коррелятор 11.
Геофизический радиолокатор работает следующим образом.
Основным режимом работы является режим «Поиск». Этот режим устанавливается автоматически при включении прибора и используется при поиске и распознавании подповерхностных объектов.
При подаче на радиолокатор напряжения питания блок 1 обработки и управления инициирует установку исходных режимов всех узлов радиолокатора. По команде блока 1 обработки и управления генератор 3 ударного возбуждения формирует зондирующий импульсный сверхширокополосный сигнал в виде одного периода синусоиды амплитудой 25 В и длительностью 1 нс, излучаемый передающей антенной 4 в направлении поверхности Земли.
Обнаружение подповерхностных объектов в режиме «Поиск» осуществляется оператором путем перемещения перед собой вправо - влево антенного блока, укрепленного на штанге, и движением вперед в заданном направлении. При этом необходимо следить за тем, чтобы антенный блок перемещался параллельно обследуемой поверхности на фиксированном расстоянии (не более 5 см от нее). Скорость перемещения антенного блока выбирается в зависимости от условий поиска и должна быть в пределах 0,1÷1,0 м/с. В процессе поиска необходимо чередовать поперечные и продольные перемещения антенного блока таким образом, чтобы после каждого взмаха справа налево или слева направо антенный блок перемещался вперед на расстояние до 20 см (на величину своего линейного размера). При этом необходимо следить за тем, чтобы был обследован весь проверяемый участок местности.
Электромагнитная волна, отражающаяся от подповерхностного объекта, воздействует на приемную антенну 7. На эту же антенну воздействуют мешающие прямое излучение передатчика 3 и отраженный сигнал от границы раздела воздух-грунт. Причем большие амплитуды будут иметь сигнал прямого прохождения и сигнал, отраженный от границы раздела воздух-грунт.
Часть энергии зондирующего сигнала с опорного выхода передатчика 3 поступает на первый вход первого смесителя 5 стробоскопического преобразователя, на второй вход которого подается короткий строб-импульс с формирователя 6 строба. Сформированный в смесителе 5 импульс, представляющий собой мгновенное значение зондирующего периодического сигнала, поступает на установочный вход триггера 12. Триггер 12 переводится в первое (нулевое) состояние, при котором на его выходе формируется отрицательное напряжение.
Отраженный сигнал, содержащий информацию о границе раздела сред и о подповерхностном объекте, поступает с выхода приемной антенны 7 на первый вход второго смесителя 10, на второй вход которого подается короткий строб-импульс с выхода формирователя 9 строба.
Часть энергии зондирующего сигнала с опорного выхода передатчика 3 одновременно поступает через блок 25 регулируемой задержки, имеющего переменную временную задержку τ, на первый вход перемножителя 26, на второй вход которого подается отраженный сигнал через дифференциатор 29 с выхода второго смесителя 10 стробоскопического преобразователя, время запаздывания которого определяется выражением:
,
где h - глубина расположения подповерхностного объекта;
С - скорость распространения радиоволн.
Полученное на выходе перемножителя 26 напряжение пропускается через фильтр 27 нижних частот, на выходе которого формируется производная корреляционной функции . Усилитель 28, предназначенный для поддержания нулевого значения производной корреляционной функции  и подключенный к выходу фильтра 27 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 25 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ, равной нулю, что соответствует минимальному значению производной корреляционной функции .
Шкала блока 25 регулируемой задержки связана с индикатором 30 глубины залегания подповерхностных объектов, который позволяет непосредственно считывать измеренное значение глубины расположения подповерхностного объекта в грунте:
.
з
Сформированный на втором выходе блока 25 регулируемой задержки импульс, соответствующий временной задержке τ=τ, поступает на второй вход триггера 12. Последний переводится во второе (единичное) состояние, при котором на его выходе формируется положительное напряжение. Это напряжение поступает на управляющий вход ключа 13 и открывает его. В исходном состоянии ключ 13 всегда закрыт. Коррелятор 11 автоматически определяет глубину залегания подповерхностного объекта и осуществляет «стробирование по вертикали», которое обеспечивает последовательный просмотр подповрхностного пространства от границы раздела воздух-грунт до слоев различной глубины.
«Стробирование по горизонтали» позволяет на фоне вариаций электромагнитного поля, не связанных с электромагнитной волной, отражающейся от подповерхностного объекта, надежно выделять в подповерхностных слоях подповерхностные объекты.
Для исключения влияния периодических квазистационарных вариаций электромагнитного поля Земли осуществляют периодическое измерение напряженности поля и операцию нормирования разностного сигнала двух последовательных измерений, т.е. интегрируют разностной сигнал, делят разностной сигнал на проинтегрированный разностной сигнал. Операция сравнения нормированного сигнала с заданным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии подповерхностного объекта.
Для этого сформированный в смесителе 10 импульс, представляющий собой мгновенное значение принятого периодического сигнала, отраженного от подповерхностного объекта, или импульс, обусловленный вариациями электромагнитного поля, через открытый колюч 13 поступает после усиления в усилителе 15 в блок 20 вычитания непосредственно и через линию 19 задержки. При этом в каждой точке наблюдения производится не менее двух последовательных измерений указанных импульсов. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого импульс, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 19 задержки до момента сравнения его с последующим импульсом в блоке 20 вычитания.
Операция интегрирования разностного сигнала и деление разностного сигнала на проинтегрированный разностной сигнал производится в блоках 21 и 22. В блоке 24 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемым блоком 23. При превышении порогового уровня сигнала поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 16, где он преобразуется в цифровую формулу и поступает через интерфейс 2 в спецвычислитель 1, а затем на экран жидкокристаллического индикатора 18, на экране которого в реальном масштабе времени наблюдается плоская яркостная картина подповерхностных объектов.
Максимальная амплитуда принимаемого сигнала сравнивается с установленным пороговым значением, при превышении которого включается звуковой индикатор 17.
Появление звукового и визуального сигналов требует остановки оператора и свидетельствует о том, что в зоне действия антенного блока находится объект, природу происхождения которого следует установить, а при необходимости уточнить его местоположение и форму.
Режим «Сканирование» и формирование вертикального среза грунта с объектом Осуществляется переходом из режима «Поиск» нажатием кнопки «Скан». Через 20 с после обработки сигнала на экране индикатора 18 появляется радиолокационный образ подповерхностного объекта, дающий представление о форме и размерах объекта.
Для идентификации обнаруженного объекта с имеющимися эталонами оператору необходимо обратиться к обучаемому алгоритму, при этом на экране высвечивается соответствующее имя (например, «объект 2»). В случае несоответствия выводится сообщение «объект не опознан».
Для определения материала обнаруженного объекта оператор нажатием кнопки «Скан» запускает базовый алгоритм. На экране выводится сообщение о типе материала: «Металл», «Композит» или «Пластик».
Взаимодействие блока 1 обработки и управления с остальными узлами радиолокатора, а также организация управления работой осуществляется через схемы интерфейса 2.
Таким образом, предлагаемый геофизический радиолокатор по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности и чувствительности автоматического измерения глубины залегания подповерхностных объектов. Это достигается использованием производной корреляционной функции .
Метод измерения глубины залегания подповерхностных объектов по минимуму производной корреляционной функции (прохождению через нуль), наряду с высокой точностью и чувствительностью, обладает еще одним весьма существенным преимуществом нулевого метода, а именно: амплитуда входных сигналов и ее флуктуации не оказывают влияние на результат измерений.