УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ПРОСТРАНСТВА

Предлагаемая полезная модель относится к технике приема и передачи радиосигналов, в частности, к зондированию радиоволнами подповерхностной среды и может быть использована в геофизике, геологии, строительной индустрии, дорожном строительстве, нефтегазовой промышленности и т.д.
Известно множество устройств для радиолокационного зондирования подповерхностного пространства, в которых при обработке используется преобразование спектра сигнала в более низкочастотную область либо методом стробирования (United States Patent 3806795, Арr.23, 1974), либо методом компарирования (RU пат. 2080622 С1, 27.05.1997).
Основным недостатком этих способов обработки является удлинение временного периода обработки сигнала в тысячи раз при стробоскопическом методе и в сотни раз при методе компарирования в связи с преобразованием сигнала в более низкочастотную область.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности (RU пат. 2244322 С1, 10.01.2005, прототип), в котором используется автономно работающий передатчик, формирующий зондирующий импульс высоковольтным газовым разрядником, и синхронизация работы приемника с передатчиком производится тем же импульсом, после прохождения по воздуху промежутка между передающей и приемной антенной, а для расширения динамического диапазона отображения сигнала применяется квазилогарифмическая шкала представления амплитуды.
Недостатком способа синхронизации в устройстве-прототипе является перегрузка входных цепей приемника мощным, пришедшим по воздуху зондирующим импульсом и возникновение по этой причине нелинейного режима усиления сигнала. К недостатку следует также отнести применение квазилогарифмической шкалы амплитуды, в которой в области малых сигналов вместо логарифмической шкалы используется линейная шкала амплитуд.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу создания устройства с непосредственной обработкой сигнала, имеющего максимально возможное быстродействие и широкий диапазон рабочих частот зондирования, нейтрализацию воздействия мощного зондирующего импульса на входные цепи, приводящего к возникновению нелинейного режима работы усилителя, и реализацию чисто логарифмической шкалы регистрации амплитуды, дающей правильное представление о процессе затухания сигнала в глубинных слоях.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве зондирования, содержащем передающую антенну с передатчиком зондирующего импульса, приемную антенну с усилителем отраженных от подповерхностных объектов импульсов и связанного с ним аналого-цифрового преобразователя входного сигнала, запуск передатчика выполнен управляемым синхронно с включением в рабочий режим приемника, а передающая и приемная антенны выполнены экранированными в диапазоне частот от 5 Мгц до 1 Ггц в виде нескольких слоев радиопоглощающего ворсового материала с омическим сопротивлением ближнего к антенне слоя, равным волновому сопротивлению свободного пространства 377 ом, и с постепенным уменьшением сопротивления по экспоненциальному закону от внутреннего слоя к внешнему, аналого-цифровой преобразователь выполнен с возможностью непосредственной обработки входного сигнала в диапазоне частот от 5 Мгц до 1 Ггц с отображением выходного сигнала по логарифмической шкале амплитуд.
Последние достижения в вычислительной технике позволяют реализовать устройство радиолокационного зондирования подповерхностного пространства с непосредственной обработкой сигнала. Из-за специфики работы (ненаправленные антенны, рассеяние на множестве неоднородностей, отражение от подземных и воздушных объектов, техногенные помехи, необходимость обеспечения большого динамического диапазона не менее 100дб и т.д.), развертка по временной оси принимаемого сигнала (полноволновой сигнал) имеет сложный вид и несет очень большую информацию. Поэтому для обработки сигнала выбран быстродействующий 8-разрядный АЦП (аналого-цифровой преобразователь) с частотой дискретизации сигнала 1 Ггц, обеспечивающий возможность работы георадара в полосе частот от 5 Мгц до 300 Мгц (нижняя граница не ограничена, но более низкие частоты не
применяются, если требуется хорошее пространственное разрешение). Зондирующий импульс амплитудой 5 Кв в передатчике формируется прецизионным газовым разрядником. Широкая полоса рабочих частот и мощный импульс обеспечивает глубину зондирования от ~0,5 м до ~200 м в средних грунтах (супесь, легкий суглинок, вечная мерзлота и т.д.). Динамический диапазон регистрации сигнала ~120дб достигается тремя последовательными измерениями с помощью 3-х импульсов: без ослабления; с ослаблением сигнала на 40дб; с ослаблением 80дб. Для дальнейшего повышения чувствительности, т.е. расширения динамического диапазона, используется осреднение данных измерений. Во флеш-памяти устройства сохраняются данные в первичном, необработанном виде. Затем по специальной интерактивной программе производится отбраковка явно сбойных измерений, подбирается оптимальное число измерений для осреднения и обрабатываются измерения по методу скользящего среднего. Отметим, что в существующих устройствах в памяти сохраняются уже осредненные измерения, что существенно снижает эффективность осреднения. По сравнению с другими аналогами данное устройство обладает в сотни или тысячи раз более высоким быстродействием регистрации данных.
Как отмечалось ранее, недостатком использования для синхронизации мощного зондирующего, пришедшего по воздуху импульса является перегрузка и вхождение в нелинейный режим входных цепей усилителя. В предлагаемом устройстве запуск передатчика и дальнейшая синхронизация приемника выполняется по команде "пуск" от блока управления. Поэтому в предлагаемом устройстве воздушный импульс подавляется эффективной экранировкой (40дб и более) передающей и приемной антенны от помех в верхней (воздушной) полусфере. Также при синхронизации от блока управления появляется возможность проводить измерения и при наличии препятствия (например, стена или небольшое сооружение) между приемником и передатчиком.
Эффективная экранировка антенн существенно улучшает качество регистрируемой информации и дает возможность работать в местах с сильным уровнем помех различного характера. Особенно экранировка стала актуальной в последние годы из-за резкого возрастания техногенных помех, даже вдали от населенных пунктов (телевидение, Интернет, мобильная связь и т.д.). Нужно
также отметить, что устранение помех различной природы значительно упрощает сложнейшую проблему интерпретации данных измерений.
Конструкция экрана (О Ен Ден. Легкий, компактный шатровый экран для антенн георадаров. Специальная техника, 2006, №5, с.32-35.) выполнена в виде безкаркасного шатра из нескольких слоев радиопоглощающего ворсового материала, накрывающего дипольную резистивно-нагруженную антенну, установленную на поддоне из тонкого радиопрозрачного материала. Для уменьшения габаритов экрана ближний к антенне слой максимально приближен (3-5 см) к антенне, а расстояние между слоями выбирается равным 2-3 см. Для согласования первый, ближний к антенне слой выполнен из ворсового материала с сопротвлением, близким к волновому сопротивлению свободного пространства 377 ом, и такой выбор минимизирует влияние экрана на излучательные характеристики антенны. Сопротивление каждого последующего слоя подбирается вдвое меньшим сопротивлению предыдущего слоя (более точно основание показательной функции определяется экспериментально для каждого типа антенны).
Дальнейшим развитием идей, заложенных в конструкцию экрана явилось расширение диапазона (200-300 Мгц и выше) работы экрана в низкочастотную область (до 25 Мгц и ниже). Напомним, что для частот выше 200 Мгц не возникает проблем при экранировке антенн. Экран и поддон на рабочую частоту 200 Мгц изготавливается из трех секций (центральная часть и два крыла), и эти секции в рабочем состоянии соединяются вместе с помещенной внутри антенной (длиной 75 см). Для перехода с частоты 200 Мгц на более низкую частоту 100 Мгц короткая антенна 0,75 м заменяется на длинную антенну 1,5 м, и секции экрана раздвигаются и между ними вставляются промежуточные секции-вставки длиной 37,5 см. Для частоты 50 Мгц (антенна 3 м) дополнительно к имеющим вставляются секции экрана длиной 75 см, и подобным образом можно понижать рабочую частоту экрана до 25 Мгц (антенна 6 м) и ниже. Если в экране использовать 7 слоев ворса, то последний слой имеет сопротивление ~6 ом, при этом коэффициент подавления воздушных помех превышает 40дб на частоте 50 Мгц.
Достоинством такой конструкции экрана является его универсальность (для различных частот) и малый вес (2-3 кг на погонный метр антенны) и относительно низкая стоимость. Отметим для сравнения, что лучшие
зарубежные георадары для частоты 100 Мгц оснащаются экранированными (по магнитной составляющей) антеннами с коэффициентом подавления помех ~20дб при весе одного экрана свыше 80 кг.
Предлагаемое устройство измеряет в подстилающих слоях два параметра - время запаздывания (нсек) отраженного от объекта сигнала и затухание сигнала Г в среде в процессе распространения. Известно, что при распространении сигнала в слое с омической проводимостью амплитуда сигнала уменьшается по экспоненциальному закону. Тогда в логарифмическом масштабе огибающая сигнала будет прямой, и по степени наклона огибающей можно определить коэффициент затухания Г(дб/м). Строго говоря, найденный таким способом коэффициент учитывает кроме омического затухания и ослабление сигнала из-за расходимости и рассеяния волн, но практически они малы по сравнению с омическим затуханием. В устройстве-прототипе для определения затухания Г по волновой форме сигнала используется квазилогарифмическая шкала амплитуд - линейная шкала для малых сигналов, составляющих треть динамического диапазона и логарифмическая в области больших сигналов, и такой способ приводит к значительному искажению картины затухания сигнала в глубинных, наиболее интересных для исследований слоях.
В предлагаемом устройстве предусмотрен пересчет амплитуды сигнала из линейного масштаба в чисто логарифмический с последующей цветовой кодировкой амплитуды, что позволяет корректно оценить параметр Г. Обычно огибающая сигнала испытывает излом или разрыв на границе перехода между слоями, и по этому признаку можно идентифицировать границу, если и другие дополнительные признаки, например изменение частотного состава сигнала, подтверждают этот вывод.
На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из блока управления и хранения информации 1, блока приемника 2, состоящего из входного усилителя 3, АЦП 4 и встроенного источника питания 5, экранированной приемной антенны 6, экранированной передающей антенны 7 и передатчика 8 зондирующего импульса со встроенным источником питания 9.
Процесс измерения начинается по команде «пуск» от блока управления 1, передаваемой по интерфейсу Wi-Fi в блок приемника 2. По этой команде блок приемника входит в режим регистрации и одновременно передает по
оптоволоконному кабелю в блок передатчика 8 разрешение на излучение одного или серии зондирующих импульсов. Блок передатчика 8 посылает по оптоволоконному кабелю в блок приемника 2 сигнал о моменте начала импульса, по которому производится временная привязка задержки отраженных импульсов. Зондирующий импульс с помощью антенны передатчика 7 посылается в подповерхностное пространство, отражается от различных объектов и попадает через антенну приемника 6 в блок приемника 2, где после усиления и непосредственной обработки на АЦП 4 передается на хранение в флеш-память, откуда по мере необходимости пересылается по Wi-Fi в блок управления 1.
Таким образом, широкий рабочий диапазон частот, высокая скорость регистрации информации и надежная помехозащищенность дает предлагаемому устройству значительные преимущества по сравнению с другими аналогами.