РАДИОЛОКАТОР ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Изобретение относится к подповерхностной радиолокации и может быть использовано для построения геологических разрезов, определения положения грунтовых вод, определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды, определения неоднородностей, включений и границ бетонных конструкций, измерения длины свай.
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 неспособность к надежному определению толщины конструктивных слоев дорожной одежды, определению неоднородностей, включений и границ бетонных конструкций по результатам поляризационной обработки рассеянных сигналов.
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 неспособность к надежному выделению границ раздела, арматуры, неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях, измерению длины свай по результатам поляризационной обработки рассеянных сигналов.
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 неспособность к надежному выделению границ раздела, арматуры, неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях по результатам поляризационной обработки рассеянных сигналов.
Технической задачей изобретения является повышение надежности обнаружения и идентификации границ раздела, неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях по результатам поляризационной обработки рассеянных сигналов.
Поставленная задача решается тем, что 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, первый выход которого соединен с управляющим входом стробоскопического преобразователя и управляющим входом электронного ключа, а первый сигнальный вход устройства синхронизации и обработки сигнала подключен к выходу стробоскопического преобразователя, отличается от ближайшего аналога тем, что в состав радиолокатора дополнительно введены последовательно соединенные второй генератор видеоимпульсов и вторая передающая антенна, последовательно соединенные вторая приемная антенна, второй электронный ключ, второй усилитель, второй стробоскопический преобразователь, при этом, к первому выходу устройства синхронизации и обработки сигнала подключены управляющий вход второго стробоскопического преобразователя и управляющий вход второго электронного ключа, ко второму выходу устройства синхронизации и обработки сигнала подключен вход первого генератора видеоимпульсов, к третьему выходу устройства синхронизации и обработки сигнала подключен вход второго генератора видеоимпульсов, к второму сигнальному входу устройства синхронизации и обработки сигнала подключен выход второго стробоскопического преобразователя.
Структурная схема радиолокатора подповерхностного зондирования представлена на фиг. 1. Радиолокатор включает в себя: 1 - первая передающая антенна, 2 - первый генератор видеоимпульсов, 3 - вторая передающая антенна, 4 - второй генератор видеоимпульсов, 5 - первая приемная антенна, 6 - первый электронный ключ, 7 - первый усилитель, 8 - первый стробоскопический преобразователь, 9 - устройство синхронизации и обработки сигнала, 10 - вторая приемная антенна, 11 - второй электронный ключ, 12 - второй усилитель, 13 - второй стробоскопический преобразователь.
Принцип работы радиолокатора подповерхностного зондирования основан на использовании метода сверхширокополосного радиолокационного зондирования подповерхностных сред и объектов (Подповерхностная радиолокация / М.И. Финкельштейн, В.И. Карпухин, В.А. Кутев, В.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 поляризационно-манипулированных сверхкоротких радиоимпульсов. Поляризационная манипуляция зондирующих сигналов реализует режим последовательного облучения подповерхностной среды электромагнитными волнами с ортогональными поляризациями, что позволяет выполнить поляризационную обработку сигналов, рассеянных неоднородностями и принятых антеннами ортогональных поляризаций. Результатами поляризационной обработки является выделение поляризационно-анизотропных и поляризационно-изотропных объектов.
Радиолокатор подповерхностного зондирования работает следующим образом.
Устройство синхронизации и обработки сигналов формирует на своем первом выходе сигналы запуска стробоскопических преобразователей 8, 13 и электронных ключей 6, 11 в моменты времени
t=nΤ, n=1, 2, 3…
где Τ - период следования синхроимпульсов.
Устройство синхронизации и обработки сигналов формирует на своем втором выходе сигналы запуска в моменты времени
t=2nT, n=1, 2, 3…
что приводит к формированию на выходе генератора видеоимпульсов 2 сверхкоротких импульсов, с последующим их излучением в подповерхностную среду передающей антенной 1 с фиксированной поляризацией.
Устройство синхронизации и обработки сигналов формирует на своем третьем выходе сигналы запуска в моменты времени
t=(2n-1)Т, n=1, 2, 3…
что приводит к формированию на выходе генератора видеоимпульсов 4 сверхкоротких импульсов, с последующим их излучением в подповерхностную среду передающей антенной 3 с ортогональной поляризацией.
Выбор фиксированной и ортогональной поляризации излученного сигнала связан с выбором типа антенн и их поляризационных характеристик, при этом возможно использование круговых поляризаций правого и левого направления вращения, линейных вертикальной и горизонтальной поляризаций, эллиптических поляризаций правого и левого направления вращения. В предлагаемом устройстве возможно использование пространственно совмещенных антенн Вивальди, спиральных антенн, дипольных антенн и других сверхширокополосных антенн с ортогональными поляризационными характеристиками.
Неоднородности, границы раздела, пустоты и разуплотнения подповерхностной среды рассеивают зондирующие сверхкороткие импульсы, при этом, обратно рассеянные сигналы улавливаются приемной антенной 5 фиксированной поляризации и приемной антенной 10 ортогональной поляризацией. Приемные антенны 5 и 10 ортогональных поляризаций образуют поляризационный базис, в котором измеряются изменения поляризационных характеристик обратно рассеянных сигналов от неоднородностей в подповерхностной среде. Так известно, что металлические штыри, из которых состоит арматура бетонных свай, блоков, плит (Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / под ред. А.Ю. Гринева. - М.: Радиотехника, 2005. - 416 с.) хорошо отражают линейно-поляризованные электромагнитные волны, плоскость поляризации которых соответствует ориентации стержней арматуры, и слабо отражают линейно-поляризованные электромагнитные волны, плоскость поляризации которых образует перпендикуляр по отношению к направлению ориентации стержней арматуры; указанные свойства позволяют классифицировать арматуру как поляризационно-анизотропный объект, что создает физическую основу для его выделения по результатам поляризационной обработки принятых сигналов. Границы раздела бетонных свай и почвогрунтов, в следствии своего однородного и симметричного конструктивного исполнения в горизонтальной плоскости, наоборот, некритичны к поляризации зондирующих сверхширокополосных сигналов, в следствии чего улавливаемые приемными антеннами 5 и 10 обратно-рассеянные границами раздела радиосигналы не имеют существенного отличия по уровню; указанные свойства позволяют классифицировать границу бетонной сваи и грунта как поляризационно-изотропный объект, что создает основу для его выделения по результатам поляризационной обработки принятых сигналов.
Принятые антеннами 5 и 10 сверхширокополосные сигналы поступают в электронные ключи 6 и 11, которые открываются на длительность 100-300 не, что соответствует глубине зондирования в 5-15 м. Усилители 7 и 12 компенсируют затухание обратно рассеянных сигналов в подповерхностной среде. Стробоскопические преобразователи 8 и 13 выполняют масштабно-временное преобразование и переводят принятые сверхкороткие импульсы в цифровую форму, необходимую для дальнейшей обработки. Устройство синхронизации и обработки сигналов 9 реализует различные режимы работы радиолокатора:
1. Режим поляризационной манипуляции зондирующих сигналов, как основной режим работы, в котором формируются три типа запускающих сигналов - сигнал запуска стробоскопических преобразователей 8 и 13 и электронных ключей 6 и 11, сигнал запуска генератора видеоимпульсов 2, сигнал запуска генератора видеоимпульсов 4, в результате чего происходит прием обратно рассеянных сигналов в приемной антенне 5 и 10 и выделение неоднородностей в подповерхностной среде по результатам анализа уровней принятых сигналов и поляризационной обработке сигналов.
Приведем пример обработки сигналов при радиолокационном зондировании бетонной сваи в диапазоне частот 100-250 МГц линейными поляризационно-манипулированными сигналами: на фиг. 2а приведено радиолокационное изображение сваи, на фиг. 2б приведена маска границы раздела сред, на рис. 2в приведены результаты корреляционной обработки радиолокационного изображения сваи, на рис. 3 а приведено бинарное изображение сваи с выделенными границами раздела сред, на рис. 3б приведены результаты реконструкции длины сваи.
2. Режим фиксированной поляризации зондирующего сигнала, как вспомогательный режим работы, в котором запуск стробоскопических преобразователей 8 и 13, электронных ключей 6 и 11 осуществляется синхронно с запуском генератором видеоимпульсов 2 (или генератором видеоимпульсов 4), осуществляется прием обратно рассеянных сигналов в приемной антенне 5 и 10 и выделение неоднородностей в подповерхностной среде по результатам анализа уровней принятых сигналов.