УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ ЗАЛЕГАНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ ОБЪЕКТОВ
DEVICE FOR DETERMINING DEPTH OF SUBSURFACE OBJECTS

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам поиска, обнаружения и определения местоположения и формы подповерхностных целей.
В настоящее время известны устройства, используемые для зондирования, обнаружения и определения местоположения подповерхностных инженерных коммуникаций, в основном, являются короткоимпульсными.
Известен «Мобильный георадар для дистанционного поиска местоположения подземных магистральных коммуникаций и определения их поперечного размера и глубины залегания в грунте» (Патент России 2256941 C1, G01V 3/17 2004 г.).
Недостатком, присущим данному устройству, является ошибочное определение глубины залегания зондируемого объекта из-за неизвестности диэлектрической проницаемости грунта в момент зондирования, хотя в программном обеспечении данного устройства имеется база данных по электрофизическим характеристикам грунта. Но сезонная и суточная вариация значений характеристик грунта, а также изменение диэлектрической проницаемости грунта по глубине требуют знаний состояния грунта во время проведения полевых работ.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для обнаружения объектов, расположенных под землей (патент Японии 57-17273, G01S 13/34, G01V 3/12, 1975 г.). Устройство содержит передатчик и приемник, работающие на одну антенну, для развязки передатчика и приемника к антенне подключен циркулятор, вход циркулятора соединен с выходом передатчика, состоящего из модулируемого каскада, к входу которого подключены задающий генератор и модулятор, передатчик генерирует частотно-модулированные сигналы с пилообразным законом изменения частоты и с постоянной частотой повторения, выход циркулятора соединен с входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом модулируемого каскада, выход смесителя соединен с входом усилителя частоты биений, выход которого соединен с входом процессора обработки.
Недостатком известного устройства является низкая точность определения местоположения зондируемого объекта из-за неизвестности характера изменения диэлектрической проницаемости грунта с глубиной.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения глубины залегания в грунте при поиске инженерных коммуникаций (газопроводы, водопроводы, оптоволоконные и металлические кабели) и других скрытых объектов.
Технической задачей изобретения является получение динамики изменения диэлектрической проницаемости грунта в зондируемом участке для выбора подходящей методики расчета частоты биений, полученной из отраженного сигнала, которая является функцией глубины.
Это достигается тем, что известное устройство определения глубины залегания подповерхностных объектов, содержащее передатчик, приемник, блок обработки информации и антенну, при этом передатчик содержит задающий генератор, первый выход которого соединен с первым входом модулируемого каскада, модулятор, выход которого соединен с вторым входом модулируемого каскада, приемник содержит смеситель, усилитель частоты биений, снабжено дополнительной антенной, адаптером связи и блоком управления и синхронизации, передатчик снабжен усилителем мощности и направленным ответвителем, вход антенны соединен с выходом усилителя мощности, вход которого подключен к первому выходу направленного ответвителя, вход последнего соединен с выходом модулируемого каскада, второй выход направленного ответвителя подключен к второму входу смесителя, в приемник введены комплексированный с ним радиометрический приемник, малошумящий усилитель, переключатель, полосовой фильтр, при этом радиометрический приемник выполнен в виде трех параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратичный детектор и фильтр низкой частоты, выход дополнительной антенны соединен с входом малошумящего усилителя, выход которого подключен к первому входу переключателя, второй вход переключателя соединен с вторым выходом задающего генератора, первый выход переключателя подключен к смесителю, выход последнего соединен с входом полосового фильтра, выход которого соединен с входом усилителя частоты биений, второй выход переключателя подключен к входам полосовых фильтров цепочек, выход фильтра низкой частоты каждой цепочки подключен к соответствующему входу адаптера связи, выход усилителя частоты биений приемника и первый выход блока управления и синхронизации подключены к другим входам адаптера связи, выход адаптера связи подключен к входу блока обработки информации, при этом второй выход блока управления и синхронизации соединен с входом задающего генератора.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена функциональная схема устройства определения глубины залегания подповерхностных объектов.
Устройство определения глубины залегания подповерхностных объектов содержит антенну 1, вход которой соединен с выходом усилителя мощности 2, вход которого соединен с первым выходом направленного ответвителя 3, вход последнего соединен с выходом модулируемого каскада 4, второй вход которого соединен с выходом модулятора 5. Первый вход модулируемого каскада 4 соединен с первым выходом задающего генератора 6. Выход дополнительной антенны 7 соединен с входом малошумящего усилителя 8, выход которого соединен с первым входом переключателя 9, первый выход переключателя 9 соединен с первым входом смесителя 10, выход которого соединен с входом полосового фильтра 11, выход последнего соединен с входом усилителя частоты биений 12, второй выход переключателя 9 соединен с входами цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных полосового фильтра 13, 14, 15, квадратичного детектора 16, 17, 18, фильтра нижних частоты 19, 20, 21, выход каждой цепочки соединен с соответствующим входом адаптера связи 22 (вх.1, вх.2 и вх.3). Выход усилителя частоты биений 12 и первый выход блока управления и синхронизации 24 подключены к соответствующим входам адаптера связи (вх.4 и вх.5). Выход адаптера связи соединен с входом блока обработки информации IBM-PC 23, при этом второй выход блока управления и синхронизации 24 подключен к входу задающего генератора 6. Полосовые фильтры цепочек настроены на разные диапазоны частот.
Устройство определения глубины залегания подповерхностных объектов работает следующим образом.
Задающий генератор 6, модулируемый каскад 4 и модулятор 5 формируют колебание с линейной частотной модуляцией, которое усиливается в усилителе мощности 2 и передается на антенну 1, с выхода которой зондирующая волна излучается в грунт. Электромагнитная волна, отражаясь от подповерхностного объекта или границ раздела грунта, воздействует на дополнительную приемную антенну 7 и усиливается в малошумящем усилителе 8. Также при этом принимаются мешающий сигнал, отраженный от раздела воздух-грунт и сигнал прямого прохождения от передающей антенны 1. При этом высота антенны над поверхностью Земли не должна превышать 5-10 см. Эти сигналы при обработке данных являются нежелательными, поскольку имеют амплитуды больше, чем сигналы, отраженные от объектов, поэтому они отфильтрованы полосовым фильтром 11. Результатом обработки радиолокационных данных является радарограмма с указанием границ раздела грунта и местоположения объектов в грунте.
<mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover>
В данном устройстве глубина залегания объекта или толщина слоя грунта определяется методом спектрального анализа по частоте биений на выходе усилителя 12. Оценка глубины зависит от диэлектрической проницаемости грунта
. Однако реально вертикальное распределение
с глубиной не постоянно, т.е. надо учитывать электродинамическую модель структуры грунта. Еще одна трудность заключается в априорной неизвестности электрофизических характеристик грунта. На величину
при данной частоте измерений влияют довольно большое число параметров, таких как влажность, температура, дисперсность, засоленность, минералогический состав и плотность почвы, также сезонная и суточная изменчивость. В диапазоне частот от 300 до 900 МГц для разных грунтов почти не наблюдается дисперсионность диэлектрической проницаемости. Поэтому спектр частоты зондирующего сигнала выбран в этом диапазоне.
Для определения электродинамической модели грунта целесообразно комплексирование активных и пассивных радиолокационных измерений, целью которых является объединение различных измерителей в единое устройство, обладающее более высокими характеристиками по точности, информативности и помехоустойчивости, по сравнению с независимо действующими измерителями. При работе пассивной части устройства активная часть периодически выключается с помощью сигналов от блока управления и синхронизации 24.
В устройстве использован параллельный многоканальный прием радиотеплового излучения для получения температурного градиента по глубине грунта. Поскольку глубина радиовизирования земли зависит от частоты, то, принимая радиотепловое излучение от разных глубин, устанавливается динамика изменения радиояркостной температуры, для чего используются три последовательно соединенные цепочки, в каждую из которых входит полосовой фильтр 13, 14, 15 на диапазоны частот 300-500 МГц, 500-700 МГц, 700-900 МГц, соответственно. Измеряя динамику измерения температуры с глубиной, можно установить характер изменения влажности, которая оказывает сильное влияние на значение диэлектрической проницаемости грунта.
Используя три канала приема, регистрируем картину поля радиотеплового излучения с разных глубин и, соответственно, оценочное значение диэлектрической проницаемости грунта. Далее, сопоставляя ее с результатами активного зондирования в виде радарограммы, можно выбрать ту или иную наиболее подходящую электродинамическую модель структуры грунта для расчета глубины залегания объектов в среде. Дальнейший расчет и определение глубины залегания объекта проводится в блоке обработки информации IBM-PC 23.
Использование изобретения обеспечивает повышение точности измерения глубины залегания в грунте при поиске инженерных коммуникаций (газопроводы, водопроводы, оптоволоконные и металлические кабели) и других скрытых объектов и может использоваться в подповерхностном зондировании при определении местоположения газопроводов и водопроводов, при контроле их состояния, при выявлении аварийных участков, в строительстве, при контроле состояния и качества дорожных покрытий, опоры мостов и фундамента здания, как неразрушающий метод контроля.