РАДИОЛОКАТОР ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ С РЕЗОНАНСНОЙ КОМПРЕССИЕЙ ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована для построения геологических разрезов, определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды, определения положения грунтовых вод, определения неоднородностей, включений бетонных конструкций.
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 его невысокий приемо-передающий потенциал, ограничение которого связано с техническими возможностями передатчика формировать мощные сверхкороткоимпульсные импульсы на выбранной элементной базе, в следствии чего глубина зондирования почвогрунтов определяется энергетическими характеристиками передатчика.
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 его невысокий приемо-передающий потенциал, ограничение которого связано с техническими возможностями передатчика формировать мощные сверхкороткоимпульсные импульсы на выбранной элементной базе, в следствии чего глубина зондирования почвогрунтов определяется энергетическими характеристиками передатчика.
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 его невысокий приемо-передающий потенциал, ограничение которого связано с техническими возможностями передатчика формировать мощные сверхкороткоимпульсные импульсы на выбранной элементной базе, в следствии чего глубина зондирования почвогрунтов определяется энергетическими характеристиками передатчика.
Технической задачей полезной модели является реализация резонансной компрессии зондирующих сигналов при подповерхностном зондировании почвогрунтов и увеличение приемо-передающего потенциала радиолокатора.
Поставленная задача решается тем, что радиолокатор подповерхностного зондирования с резонансной компрессией зондирующих сигналов, содержащий передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, электронный ключ, усилитель и стробоскопический преобразователь, устройство синхронизации и обработки сигналов, первый выход которого соединен с управляющим входом стробоскопического преобразователя и управляющим входом электронного ключа, а сигнальный вход устройства синхронизации и обработки сигналов подключен к выходу стробоскопического преобразователя, отличается от ближайшего аналога тем, что в состав радиолокатора дополнительно введены импульсный модулятор, блок поджига, последовательно соединенные сверхвысокочастотный генератор с встроенным источником питания, циркулятор и устройство резонансной компрессии, при этом, выход устройства резонансной компрессии соединен с передающей антенной, вход импульсного модулятора подключен к первому выходу устройства синхронизации и обработки сигналов, вход блока поджига подключен ко второму выходу устройства синхронизации и обработки сигналов, выход импульсного модулятора подключен к управляющему входу сверхвысокочастотного генератора, а выход блока поджига подключен к управляющему входу устройства резонансной компрессии.
Структурная схема радиолокатора подповерхностного зондирования с резонансной компрессией зондирующих сигналов представлена на фиг. 1.
Радиолокатор включает в себя: 1 - передающая антенна, 2 - устройство резонансной компрессии, 3 - блок поджига, 4 - циркулятор, 5 - СВЧ генератор с встроенным источником питания, 6 - импульсный модулятор, 7 - приемная антенна, 8 - электронный ключ, 9 - усилитель, 10 - стробоскопический преобразователь, 11 - устройство синхронизации и обработки сигналов.
Принцип работы радиолокатора подповерхностного зондирования с резонансной компрессией зондирующих сигналов основан на использовании метода сверхширокополосного радиолокационного зондирования подповерхностных сред и объектов (Подповерхностная радиолокация / М.И. Финкельштейн, В.И. Карпухин, В.А. Кутев, B.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 сверхкоротких радиоимпульсов.
Принцип работы резонансного компрессора основан на резонансном накоплении высокочастотной энергии и быстром выводе ее в виде более мощного и короткого СВЧ-импульса [Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984 г., стр. 68]. При этом, на вход резонансного компрессора поступает высокочастотные радиоимпульсы, вырабатываемые СВЧ генератором, а с выхода компрессора снимают мощные наносекундные радиоимпульсы, пиковая мощность которых во много раз больше пиковой мощности входных радиоимпульсов. Так например, при поступлении от СВЧ генератора импульсов частотой 9,4 ГГц, длительностью 800 нс и пиковой мощностью в 10 кВт, на выходе резонансного компрессора будут получены радиоимпульсы той же частоты, длительностью 2-10 нс и пиковой мощностью в 300 кВт [Ю.Г. Юшков, Н.Н. Бадулин, А.П. Бацула, А.И. Мельников, C.А. Новиков, С.В. Разин, Е.Л. Шошин. Наносекундный радиолокатор с временной компрессией СВЧ-импульсов передатчика. Электромагнитные волны & электронные системы, №6, т. 2, 1997, с. 71-76]. Коэффициент усиления устройством резонансной компрессии, при этом, составляет 30, что свидетельствует об увеличении приемо-перадающего потенциала радиолокатора подповерхностного зондирования. Эффект резонансной компрессии радиоимпульсов может быть реализован в дециметровом и сантиметровом диапазоне длин волн [Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984 г., стр. 68].
Радиолокатор подповерхностного зондирования с резонансной компрессией зондирующих сигналов работает следующим образом.
Устройство синхронизации и обработки сигналов 11 формирует на своем первом выходе сигналы запуска импульсного модулятора 6, стробоскопического преобразователя 10 и электронного ключа 8 в моменты времени
t=nT, n=1, 2, 3…
где T - период следования синхроимпульсов, что приводит к формированию модулирующих сигналов, снимаемых с выхода импульсного модулятора 6 и поступающих на управляющий вход СВЧ генератора 5, который формирует СВЧ радиоимпульсы, поступающие на вход циркулятора 4. Циркулятор 4 согласует СВЧ-генератор 5 при его работе на резонансную нагрузку, в качестве которой выступает устройство резонансной компрессии 2.
и
По окончании процесса накопления, равного длительности импульса t СВЧ-генератора, устройство синхронизации и управления 11 формирует на своем втором выходе сигналы запуска блока поджига 3 в моменты времени
и
t=nT+t, n=1, 2, 3 …,
переводящие устройство резонансной компрессии 2 из режима накопления в режим сброса накопленной энергии, в результате чего формируются мощные сверхкороткоимпульсные сигналы, поступающие на вход передающей антенны 1, с помощью которой сформированные зондирующие сигналы излучаются в почвогрунты.
Неоднородности, границы раздела, пустоты и разуплотнения подповерхностной среды рассеивают зондирующие сверхкороткие импульсы, при этом, обратно рассеянные сигналы улавливаются приемной антенной 7. Принятые антенной 7 сверхширокополосные сигналы поступают в электронный ключ 8, который открывается на длительность 50-500 нс, что соответствует глубине зондирования в 3-30 м. Усилитель 9 компенсирует затухание обратно рассеянных сигналов в подповерхностной среде и формирует усиленный сигнал, который поступает на вход стробоскопического преобразователя 10. Стробоскопический преобразователь 10 выполняет масштабно-временное преобразование, в результате которого преобразованные сигналы поступают на сигнальный вход устройства синхронизации и обработки сигналов 11. Дальнейшая обработка принятых сигналов выполняется устройством синхронизации и обработки сигналов 11 и включает в себя анализ амплитуд принятых сигналов с одновременной фиксацией их времени прихода, что позволяет выделить из полученных данных сверхширокополосного зондирования подповерхностной среды неоднородности, границы раздела, пустоты и разуплотнения, которые могут быть отображены внешним индикатором, не входящим в состав устройства синхронизации и обработки сигналов 11.