Уголковый отражатель для геотехнического мониторинга
ANGLE REFLECTOR FOR GEOTECHNICAL MONITORING

Изобретение относится к локационной технике и может быть использовано при мониторинге потенциально опасных участков в районах прохождения трасс магистральных газопроводов с целью своевременного выявления смещений земной поверхности и возможных геодинамических воздействий на магистральный газопровод для выработки мер по предупреждению аварийных ситуаций.
Уголковый отражатель предназначен для получения стабильных однозначно идентифицируемых откликов на изображениях с радиолокационных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, осуществляющих съемку в диапазонах Х (от 9300 до 9800 МГц) и С (от 5250 до 5570 МГц).
Контроль за состоянием земной поверхности в зоне мониторинга реализуется с использованием технологии космической радиолокационной интерферометрии с уголковыми отражателями. Технология космической радиолокационной интерферометрии основана на измерении разности фаз сигналов радиолокационного спутника, полученных в разное время. По результатам измерений определяют факт смещения наземного объекта. В качестве наземных объектов используют уголковые отражатели, которые устанавливают вдоль трассы газопровода. Учитывая суровые климатические условия прохождения трассы, к уголковым отражателям предъявляют повышенные механические характеристики, обеспечивающие их долговременную работоспособность без нарушения необходимых характеристик.
Известен уголковый отражатель (SU 1679449, кл. G02B5/122, 1991 г), выполненный в виде трехгранной пирамиды с металлизированными зеркально-отражающими гранями, которые образуют двугранные углы π/2, π/2 и π /[2(s+1)] где s целое положительное число, и с неравными по длине ребрами двугранных углов.
Однако при работе в сложных условиях металлическое покрытие может выйти из строя. Кроме того, при 2s+3 отражениях от металла теряется до 40% и более энергии падающей волны.
Известен призменный уголковый отражатель (RU № 2101741, кл. G02B5/122, опубл. 10.01.1998), выполненный в виде трехгранной пирамиды, двугранные углы между отражающими гранями которой равны π/2, π/2, π/4. Фронтальная грань отражателя ограничивает длины его боковых ребер.
Недостатком уголкового отражателя является его невысокая прочность, влияющая на конструкционную целостность устройства при воздействии совокупности статистических ветровых и снеговых нагрузок, возникающих в климатических условиях Сибири.
Проблемой изобретения является создание уголкового отражателя для геотехнического мониторинга методом космической радиолокационной интерферометрии, обеспечивающего сохранение геометрических характеристик и целостности элементов конструкции при эксплуатации в условиях воздействия климатических факторов, таких как температура окружающей среды в пределах от -60 до +55°С, скорость ветра до 32 м/с, давление снегового покрова до 1,348 кПа и исключение возможности накопления посторонних предметов (листва, грязь, мох и т.п.) на поверхности отражающих граней уголкового отражателя.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности и обеспечение конструкционной целостности предлагаемого уголкового отражателя при воздействии совокупности внешних факторов.
Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются тем, что уголковый отражатель для геотехнического мониторинга выполнен в виде трехгранной пирамиды. Согласно изобретению уголковый отражатель выполнен в виде двух правильных трехгранных пирамид с рабочими отражающими поверхностями, расположенными при сборе внутри нее и жестко закрепленных с помощью хомутов на вертикальном пилоне. Одна из граней трехгранной пирамиды, обращенная к пилону, выполнена опорной, ребра которой у вершины пирамиды снабжены укрепляющими элементами и жестко связаны между собой балками, на которых закреплены несущие пластины хомутов. Грань пирамиды, закрывающая рабочие поверхности, снабжена радиопрозрачной крышкой.
Ребра опорной грани окантованы трубами квадратного сечения, а балки, связывающие смежные ребра опорной грани выполнены прямоугольного сечения в виде профилей из легких сплавов на основе алюминия АМг5 и АД31.Т1.
Крепление балок на трубах, окантовывающих ребра опорной грани, выполнено при помощи винтов и установленных внутри труб прямоугольных вкладышей, а в трубы и балки дополнительно вмонтированы стальные гаечные заклепки с цилиндрическим буртиком.
Каждая отражающая грань пирамиды с наружной стороны снабжена укрепляющим элементом уголкового сечения.
Пирамиды уголкового отражателя прикреплены к пилону в виде трубы с помощью верхнего и нижнего хомутов и зафиксированы для исключения поворота вокруг оси пилона самонарезающим винтом.
Несущие пластины хомутов снабжены ребрами жесткости.
Отражающие рабочие поверхности пирамид выполнены в виде пластин из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 2 мм.
Радиопрозрачная крышка выполнена из монолитного поликарбоната.
Грани уголкового отражателя соединены друг с другом по краям резьбовым соединением.
Наличие на вертикально установленном пилоне двух трехгранных пирамид уголкового отражателя обеспечивает возможность съемки с восходящего и нисходящего витков орбиты, возможность расчета истинного вектора смещения УО, и отсутствие необходимости переориентирования УО в течение всего срока эксплуатации.
Выполнение одной из граней трехгранной пирамиды опорной с ребрами окантованными трубами квадратного сечения, с закрепленными на них при помощи винтов и установленных внутри труб прямоугольных вкладышей, наличие несущих пластин хомутов с ребрами жесткости обеспечивает прочность и жесткость конструкции, способной выдерживать порывы ветра до 32 м/с и давление снегового покрова до 1,348 кПа, без изменения геометрических характеристик отражающих поверхностей. Пластические деформации элементов конструкции уголкового отражателя при наличии укрепляющих элементов и их жестком соединении друг с другом, не возникают.
Жесткая фиксация трехгранных пирамид на вертикальном пилоне с помощью опорных граней, хомутов и самонарезающих винтов также обеспечивает надежное статическое положение уголкового отражателя, с сохранением его ориентации даже под воздействием снега, дождя и ветра.
Выполнение укрепляющих элементов в виде труб, балок и уголков из легких сплавов на основе алюминия АМг5 и АД31.Т1 стандартного профиля обеспечивает при минимальном весе прочную конструкцию, что, наряду с использованием стандартных элементов позволяет производить сборочно-монтажные работы на месте эксплуатации уголкового отражателя без привлечения специальной строительной техники.
Соединение граней уголкового отражателя друг с другом по краям с помощью резьбовых соединений облегчает сборку конструкции.
Установка на уголковом отражателе радиопрозрачной крышки, выполненной из монолитного поликарбоната, обеспечивает необходимый уровень затухания радиосигнала, защиту отражающих поверхностей уголкового отражателя от осадков и частиц различного происхождения (пыль, песок, листва, ветки и др.), исключая, либо уменьшая их влияние на радиотехнические характеристики устройства, в связи с чем также не требуется дополнительного нанесения лакокрасочного покрытия для защиты влияния внешних воздействующих факторов.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид уголкового отражателя для геотехнического мониторинга, на фиг. 2 – трехгранные пирамиды уголкового отражателя, в сборе с хомутами; на фиг. 3 – трехгранные пирамиды без радиопрозрачных крышек; на фиг. 4 – опорная грань; на фиг. 5 – крепежные элементы; на фиг. 6 – верхний хомут; на фиг. 7 – нижний хомут; на фиг. 8 – график смещения уголковых отражателей.
Уголковый отражатель для геотехнического мониторинга выполнен в виде двух правильных трехгранных пирамид 1 жестко закрепленных с помощью верхнего хомута 2 и нижнего хомута 3 на вертикальном пилоне 4, выполненного в виде трубы. Трехгранные пирамиды 1 состоят из рабочих отражающих поверхностей 5, расположенных при сборе внутри пирамиды 1. Отражающие рабочие поверхности 5 выполнены в виде пластин из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 2 мм, соединенные друг с другом по краям резьбовым соединением. Одна из граней трехгранной пирамиды 1, обращенная к пилону 4 выполнена опорной 6, ребра которой у вершины пирамиды окантованы укрепляющими элементами 7, выполненными в виде труб квадратного сечения в виде профилей из легкого сплава на основе алюминия АД31.Т1. Смежные ребра опорной грани 6 жестко связаны между собой балками 8, выполненными из труб прямоугольного сечения. На балках 8 закреплены несущие пластины 9 и 10 хомутов 2 и 3. Несущие пластины 9 и 10 снабжены ребрами жесткости 11. Грань пирамиды, закрывающая рабочие поверхности снабжены радиопрозрачной крышкой 12 из монолитного поликарбоната. Крепление балок 8 на трубах укрепляющих элементов 7, осуществляют при помощи винтов 13 и установленных внутри труб прямоугольных вкладышей 14, выполненных из легкого сплава на основе алюминия Д16. В трубы и балки вмонтированы стальные гаечные заклепки 15 с цилиндрическим буртиком. Каждая отражающая поверхность 5 пирамиды 1 с наружной стороны снабжена ребром жесткости 16, выполненным в виде профиля уголкового сечения из легкого сплава на основе алюминия АМг5.
Устройство работает следующим образом.
На проблемных участках трассы газопровода, где необходим мониторинг оползневых склонов или активных тектонических разломов, размещают уголковые отражатели группами по 5-8 штук. В радиусе 25 м от наблюдательного пункта (пилона с установленным на него уголковым отражателем) не должно быть металлических или бетонных конструкций, с размерами более 2 м. Минимальное расстояние между наблюдательными пунктами 40 м. Максимальное расстояние между стабильным и подвижным наблюдательными пунктами не более 5 км.
Интервал между измерениями от 12 до 372 дней. Во время измерений на уголковом отражателе должен отсутствовать снежный покров, не должно быть грозы и осадков.
Учитывая, что на точность измерений, полученных от уголковых отражателей, влияет их деформация, которая может быть вызвана внешними факторами, к прочности и жесткости конструкции предъявляют высокие требования.
Амплитуда смещений уголкового отражателя в направлении на спутник должна быть не более ±10 мм.
Геометрические характеристики уголкового отражателя должны соответствовать требованиям:
+0,01
- длина внутреннего ребра – 1 м;
- максимальное отклонение от плоскостности граней – не более 2 мм;
a
- при использовании листового материала среднее арифметическое отклонение профиля (шероховатость поверхности) R должно быть не более 0,25 мм;
- отклонение от перпендикулярности граней – не более 0,5°.
Наличие укрепляющих элементов 7, выполненных из труб квадратного сечения, и укрепляющих элементов 16, выполненных из профилей уголкового сечения, граней обеспечивают необходимую жесткость, повышая тем самым работоспособность всего оборудования.
Конструкция уголкового отражателя обеспечивает сохранение конструктивной целостности при эксплуатации в условиях воздействия следующих климатических факторов внешней среды:
- температура окружающей среды от - 60 до +55°С;
- скорость ветра не более 32 м/с;
- давление снегового покрова не менее чем для V снегового района, согласно СП 20.13330.2016, соответствующее нормативному значению снеговой нагрузки 1,348 кПа.
Конструкция уголкового отражателя исключает возможность накопления посторонних предметов (листва, грязь, мох и т.п.) на поверхности отражающих граней за счет наличия радиопрозрачных защитных крышек из монолитного поликарбоната.
Один уголковый отражатель размещают на стабильном основании и относительно него проводят измерение смещений остальных отражателей. Результатом измерений является график смещений каждого уголкового отражателя во времени (фиг. 8).
С использованием космических радиолокационных данных измеряют смещения предварительно установленных уголковых отражателей со средней квадратической ошибкой не более 1 см.
С помощью прочной и жесткой конструкции уголкового отражателя формируют информацию о смещениях земной поверхности в точках их установки. По измеренным разностям фаз сигналов радиолокационного спутника, полученных в разное время, фиксируют смещение наземного объекта.
За счет обеспечения жесткости конструкции уголкового отражателя обеспечивается его надежность и работоспособность при эксплуатации в сложных климатических условиях (в том числе увеличение максимального отклонения отражающих поверхностей УО от плоскостности не превышает 2 мм).
В настоящее время изготовлен опытный образец уголкового отражателя для геотехнического мониторинга, который прошел опытно - промышленные испытания на территории АО «Газпром космические системы» и ПАО «НПО Алмаз» имени академика А.А. Расплетина с положительными результатами. Также изготовлена и поставлена на объекты строительства магистрального газопровода «Сила Сибири» серия уголковых отражателей в количестве более 800 шт.