УСТРОЙСТВО ЗОНДИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
APPARATUS FOR PROBING BUILDING STRUCTURES

Предлагаемое устройство относится к области подповерхностной радиолокации с использованием сверхширокополосных сигналов, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях и может найти применение в следующих областях:
- контрразведывательной деятельности по выявлению подслушивающих устройств;
- оперативно-розыскной деятельности правоохранительных органов;
- зондировании строительных конструкций с целью определения положения арматуры, пустот и других неоднородностей;
- зондировании особо важных строительных конструкций (взлетно-посадочных полос, аэродромов, стартовых площадок для запуска ракет, мостов, переходов, тоннелей метрополитена, вокзалов, стадионов, бассейнов и т.д.) с целью определения скрытых дефектов в них;
- зондировании завалов и разрушений после землетрясений, террористических взрывов и взрывов газа в процессе поисково-спасательных работ с целью обнаружения живых людей под завалами и оперативного оказания им помощи.
Известны устройства зондирования строительных конструкций (авт. свид. СССР №321.783; 344.391; 385.251; 397.877; 455.307; 708.277; 746.370; 817.640; 1.078.385; 1.092.453; 1.100.603; 1.151.900; 1.247.805; 1.300.396; 1.594.477; 1.721.566; патенты РФ №2.044.331, 2.105.330, 2.121.671, 2.158.015, 2.234.694, 2.282.875, 2.375.729, 2.460.090; патент ФРГ №2.360.778; патент Японии №57-17.273; Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. - М., 1971; Астанин Л.Ю. и др. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М.: Радио и связь, 1989, с. 112-114, рис. 5.1; Дикарев В.И., Заренков В.А., Заренков Д.В. Методы и средства обнаружения объектов в укрывающих средах. - СПб.: Наука и техника, 2004, 280 с.; и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство зондирования строительных конструкций» (патент РФ №2.234.694, G01N 22/02, 2002), которое и выбрано в качестве базового объекта.
Принцип работы известного устройства основан на использовании сверхширокополосного радиолокационного зондирования, при котором оценивается изменение нестандартного электромагнитного поля, образованного отраженными от подповерхностного объекта электромагнитными волнами после его облучения зондирующим радиосигналом, в качестве которого используется последовательность радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного).
Известное устройство обеспечивает повышение точности, разрешающей способности, надежности обнаружения и идентификации только неоднородностей и включений в строительных конструкциях.
Однако в реальной жизни имеют место случаи разрушения строительных конструкций и сооружений, под обломками которых могут оказаться люди. Это может произойти в результате землетрясений и взрывов, которые являются самой распространенной чрезвычайной ситуацией в современном индустриальном обществе. Причем взрывы могут быть в результате утечки бытового газа и террористических актов.
Поэтому в этих случаях возникает актуальная задача по обнаружению живых людей под завалами, возникшими в результате разрушения строительных конструкций и сооружений после взрывов, своевременного их извлечения и оказания необходимой медицинской помощи.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обнаружения живых людей под завалами, возникшими в результате разрушения строительных конструкций и сооружений после взрывов и землетрясений.
Поставленная задача решается тем, что устройство зондирования строительных конструкций, состоящее в соответствии с ближайшим аналогом из последовательно включенных высокочастотного генератора и передающей антенны, последовательно включенных приемной антенны, 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, при этом соответствующие выходы интерфейса подключены к высокочастотному генератору, приемнику высокочастотного сигнала, блоку формирования эталонного напряжения, звуковому и жидкокристаллическому индикаторам, высокочастотный генератор выполнен в виде генератора ударного возбуждения, передающая и приемная антенны пространственно совмещены в антенный блок, высокочастотный генератор и приемник высокочастотного сигнала объединены в электронный блок, триггер, линии задержки, ключ, усилитель, блок вычитания, интегратор, блок деления, блок сравнения, блок формирования эталонного напряжения и аналого-цифровой преобразователь образуют контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено выключателем, квадратурным демодулятором и двумя каналами обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных предварительного усилителя, мультиплексора, многоканального полосового фильтра, демультиплексора, электронного короткозамыкающего ключа и низкочастотного усилителя, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, причем к второму выходу высокочастотного генератора последовательно подключены выключатель и квадратурный демодулятор, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, а два выхода подключены к первому и второму каналам обработки соответственно, вторые выходы мультиплексоров, демультиплексоров и электронных короткозамыкающих ключей соединены с соответствующими выходами интерфейса.
Структурная схема устройства зондирования строительных конструкций представлена на чертеже.
Устройство включает в себя: 1 - портативную ЭВМ; 2 - поверхность строительной конструкции; 3 - электронный блок в составе высокочастотного генератора 5 и приемника 7 высокочастотного сигнала; 4 - антенный блок, включающий пространственно совмещенные передающую антенну 8 и приемную антенну 9, 6 - контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ; 10 - объект, в качестве которого могут быть строительная арматура, пустоты и другие неоднородности, различные дефекты, подслушивающие устройства и т.д.; 12, 14 - первая и вторая линии задержки; 13 - усилитель; 15 - блок вычитания, 16 - интегратор, 17 - блок деления, 18 - блок сравнения, 19 - блок формирования эталонного напряжения, 20 - аналого-цифровой преобразователь, 21 - интерфейс, 23 жидкокристаллический индикатор, 24 - звуковой индикатор, 25 - выключатель, 26 - квадратурный демодулятор, 27, 28 - предварительные усилители, 29, 30 - мультиплексоры, 31, 32 - многоканальные полосовые фильтры, 33, 34 - демультиплексоры, 35, 36 - электронные короткозамыкающие ключи, 37, 38 - низкочастотные фильтры. Причем к высокочастотному генератору 5 подключена передающая антенна 8. К выходу приемной антенны 9 последовательно подключены приемник 7 высокочастотного сигнала, первая линия 12 задержки, триггер 11, второй вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора 5, ключ 22, второй вход которого соединен с выходом приемника 7, усилитель 13, вторая линия 14 задержки, блок 15 вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя 13, интегратор 16, блок 17 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 15 вычитания, блок 18 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 19 формирования эталонного напряжения, аналого-цифровой преобразователь 20, интерфейс 21 и ЭВМ 1. К выходу высокочастотного генератора 5 последовательно подключены выключатель 25, квадратурный демодулятор 26, второй вход которого соединен с выходом блока 18 сравнения и два канала обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных предварительного усилителя 27 (28), мультиплексора 29 (30), многоканального полосового фильтра 31 (32), демультиплексора 33 (34), электронного короткозамыкающего ключа 35 (36) и низкочастотного усилителя 37 (38), выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю 20. Соответствующие выходы интерфейса 21 подключены к высокочастотному генератору 5, приемнику 7, формирователю 19 эталонного напряжения, мультиплексорам 29 и 30, демультиплексорам 33 и 34, электронным короткозамыкающим ключам 35 и 36, жидкокристаллическому 23 и звуковому 24 индикаторам.
Устройство зондирования строительных конструкций работает следующим образом.
Основным режимом работы устройства является режим «Поиск». Этот режим устанавливается автоматически при включении устройства и используется при поиске и распознавании различных неоднородностей и включений, находящихся в строительных конструкциях.
При включении напряжения питания устанавливаются исходные режимы всех блоков устройства. По команде ЭВМ 1 генератор 5 ударного возбуждения формирует зондирующий сверхширокополосный сигнал в виде одного периода синусоиды амплитудой 20 В и длительностью 1 нс, излучаемый передающей антенной 8 в направлении поверхности 2 строительной конструкции.
Обнаружение неоднородностей и включений в режиме «Поиск» осуществляется оператором путем перемещения вправо-влево, вперед-назад антенного блока 4, укрепленного на штанге и включающего пространственно совмещенные передающую 8 и приемную 9 антенны. При этом необходимо следить за тем, чтобы антенный блок 4 перемещался параллельно обследуемой поверхности 2 строительной конструкции на фиксированном расстоянии (5…10 см от нее). Скорость перемещения антенного блока 4 выбирается в зависимости от условий поиска и конфигурации строительной конструкции. При этом необходимо следить за тем, чтобы был обследован весь проверяемый участок поверхности 2 строительной конструкции.
Электромагнитная волна, отражающаяся от неоднородности 10, воздействует на приемную антенну 9. На эту же антенну воздействуют мешающие прямое излучение генератора 5 и отраженный сигнал от границы раздела воздух - строительная конструкция. Часть энергии зондирующего сигнала с второго выхода высокочастотного генератора 5 поступает на первый вход триггера 11, который переводится в первое (нулевое) состояние. На выходе триггера 11 формируется отрицательное напряжение.
Отраженный сигнал, содержащий информацию о границе раздела сред и неоднородности 10, с выхода приемной антенны 9 поступает на первый вход приемника 7, на второй вход которого подается через интерфейс 21 короткий строб-импульс с ЭВМ 1. Сформированный в приемнике 7 импульс, представляющий собой мгновенное значение принятого периодического сигнала, через линию 12 задержки, поступает на второй вход триггера 11. Последний переводится во второе (единичное) состояние, при котором на его выходе формируется положительное напряжение. Это напряжение поступает на управляющий вход ключа 22 и открывает его. В исходном состоянии ключ 22 всегда закрыт. Линия 12 задержки необходима для наиболее полного управления влиянием отражений от границы раздела сред на работу усилителя 13 и последующих каскадов. Линия 12 задержки выполняется переменной, что обеспечивает устранение влияния прямого излучения передающей антенны 8 и сигналов, отраженных от границы раздела воздух - строительная конструкция и от слоев различной глубины залегания, т.е. осуществляется «стробирование по вертикали», которое обеспечивает последовательный просмотр подповерхностного пространства строительной конструкции от границы раздела воздух - строительная конструкция до слоев различной глубины.
«Стробирование по горизонтали» позволяет на фоне вариаций электромагнитного поля, не связанных с электромагнитной волной, отражающейся от подповерхностного объекта, надежно выделять в подповерхностных слоях подповерхностные объекты. Для исключения влияния периодических и квазистационарных вариаций электромагнитного поля Земли осуществляется периодическое измерение напряженности поля и операция нормирования разностного сигнала двух последовательных измерений, т.е. интегрируется разностный сигнал, делится разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал. Операция сравнения нормированного сигнала с заданным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии неоднородности или включения.
Для этого сформированный в приемнике 7 импульс, представляющий собой мгновенное значение принимаемого периодического сигнала, отраженного от неоднородности 10, через открытый ключ 22 после усиления в усилителе 13 поступает на блок 15 вычитания непосредственно и через линию 14 задержки. При этом в каждой точке наблюдения производится не менее двух последовательных измерений указанных импульсов. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого импульс, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 14 задержки до момента сравнения его с последующим импульсом в блоке 15 вычитания. Операции интегрирования разностного сигнала и деление разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производится в блоках 16 и 17. В блоке 18 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, формируемым блоком 19. При превышении порогового уровня сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 20, где он преобразуется в цифровую форму и поступает через интерфейс 21 на ЭВМ 1.
После аналого-цифрового преобразования данные через плату интерфейса 21 поступают в ЭВМ 1, а затем на экран жидкокристаллического индикатора 23, частоты вертикальной (строчной) и горизонтальной (кадровой) разверток которого могут варьироваться в определенных пределах. На экране индикатора 23 в реальном масштабе времени наблюдается плоская яркостная картина неоднородности и включений исследуемой строительной конструкции.
Максимальная амплитуда принимаемого сигнала сравнивается с установленным пороговым значением, при превышении которого включается звуковой индикатор 24.
Появление звукового сигнала и визуального сигнала на экране требует остановки оператора и свидетельствует о том, что в зоне обнаружения антенного блока 4 находится неоднородность или включение, природу происхождения которой следует установить, а при необходимости, уточнить ее местоположение и форму.
Для анализа обнаруженной неоднородности следует выполнить ее сканирование (перемещение антенного блока 4 от границы обнаружения до границы потери) со скоростью, определяемой световой строкой на экране индикатора 23. Режим «Сканирование» и формирование вертикального среза строительной конструкции с обнаруженной неоднородностью осуществляется переходом из режима «Поиска» нажатием кнопки «Сканирование», расположенной на передней панели устройства. Через 20 с после обработки сигнала на экране индикатора 23 появляется радиолокационный образ неоднородности или включения, дающий представление о форме и размерах неоднородности (включения). По желанию оператора контрастность изображения можно изменять соответствующими кнопками в сторону увеличения или уменьшения.
Для идентификации обнаруженной неоднородности с имеющимися эталонами оператору необходимо обратиться к обучаемому алгоритму, при этом на экране индикатора 23 при идентификации обнаруженной неоднородности с имеющимся в памяти ЭВМ 1 эталоном высвечивается соответствующее название, например «неоднородность №2». В случае несоответствия выводится сообщение «неоднородность не опознана».
Для определения материала обнаруженной неоднородности (включения) оператор нажатием соответствующей кнопки переходит к базовому алгоритму. На экране выводится сообщение о типе материала: «Металл», «Композит», «Пластик» и т.д.
Нажатие кнопки «Сканирование» и перемещение антенного блока 4 над неоднородностью (включением) дает возможность провести при необходимости повторное обследование неоднородности (включения) по критерию базового и обучаемого алгоритмов.
Идентификация обнаруженной неоднородности (включения) по обучаемому алгоритму, распознавание типа материала по базовому алгоритму, анализ оператором изображения и «среза» неоднородности (включения) позволяет оператору принять решение о дальнейших действиях относительно обнаруженной неоднородности (включения) и продолжения разведки.
При зондировании завалов, вызванных разрушением строительной конструкции или сооружения, под которыми могут находиться живые люди, работа устройства происходит следующим образом.
Если обнаруженный подповерхностный объект по форме и материалу соответствует биообъекту, то оператор замыкает выключатель 25 и приступает к определению жизненных функций обнаруженного биообъекта, благодаря которым живые организмы можно достоверно отличить от мертвых.
Известно, что живые организмы оказывают воздействие на высокочастотные электромагнитные сигналы за счет своих главных жизненных функций, то есть сердцебиения и дыхательной активности.
Поскольку эти жизненные функции обычно проявляют себя в переделах известных диапазонов частот, которые для частоты сердцебиения человека составляют 0,5…3,4 Гц, а для частоты дыхания 0,1…1,5 Гц, это определяет характерные диапазоны частот.
В любом случае диапазон частот от 0,01 до 10 Гц включает все частоты, представляющие интерес с точки зрения жизненных функций организма.
В этом случае отраженный сигнал с выхода блока 18 сравнения поступает на информационный вход квадратурного демодулятора 26. В качестве гетеродинного сигнала на этот демодулятор через выключатель 25 подается часть мощности генератора 5. Квадратурные сигналы разностной частоты, действующие на двух выходах квадратурного демодулятора 26, усиливаются предварительными усилителями 27, 28 и поступают на входы многоканальных полосовых фильтров 31, 32 через мультиплексоры 29, 30. Предварительные усилители 27, 28 выделяют спектральные составляющие сигнала разностной частоты, вызванные дыханием и сердечной деятельностью. Многоканальные полосовые фильтры 31, 32 подавляют составляющую квадратурных сигналов разностной частоты, вызванную отражениями от неподвижных объектов, и выделяют переменную составляющую, вызванную перемещениями, дыханием и сердцебиением. Сигналы с выходов многоканальных полосовых фильтров 31, 32 поступают на демультиплексоры 33, 34, с помощью которых производится опрос выходов ячеек многоканальных полосовых фильтров 31, 32 с частотой, задаваемой ЭВМ 1. Частота опроса выбирается такой, чтобы обеспечить возможность проведения цифровой обработки сигналов, действующих на выходах демультиплексоров 33, 34 в реальном масштабе времени.
Действующие на выходах демультиплексоров 33, 34 сигналы представляют собой растянутые во времени копии переменных составляющих квадратурных сигналов, поступающих на входы мультиплексоров 29, 30. Выходы демультиплексоров 33, 34 соединены с выходами короткозамыкающих электронных ключей 35, 36, осуществляющих программно-управляемый разряд ячеек многоканальных полосовых фильтров 31, 32 для устранения переходных процессов, связанных с воздействием сильных кратковременных сигналов, возникающих при перемещении объектов в облучаемой зоне. Входы управления электронных ключей 35, 36 через интерфейс 21 соединены с ЭВМ 1. Сигналы с выходов короткозамыкающих электронных ключей 35, 36 поступают на входы низкочастотных фильтров 37, 38 и далее на входы аналого-цифрового преобразователя 20. Сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 20 через интерфейс 21 поступает в ЭВМ 1, в которой проводится спектральный анализ квадратурных составляющих сигналов, соответствующих дыханию и сердечным сокращениям. С выхода ЭВМ 1 данные сигналы через интерфейс поступают на жидкокристаллический индикатор 23.
При целенаправленном обнаружении живых людей в завалах выключатель 25 замыкается и устройство обеспечивает повышение вероятности обнаружения слабых сигналов, вызванных дыхательной и сердечной деятельностью.
Взаимодействие ЭВМ 1 с остальными узлами устройства, а также организация управления работой осуществляется через схемы интерфейса 21.
Использование сигналов малой длительности в качестве зондирующих сигналов определяет ряд специфических особенностей их регистрации. Вместе с тем периодичность следования отраженных сигналов позволяет использовать стробоскопический метод обработки сигналов. Сущность данного метода заключается в том, что осуществляется регистрация не самого исследуемого сигнала, а его отдельных выборок, каждая из которых формируется в различные периоды повторения данного сигнала.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с базовым объектом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает не только высокую надежность обнаружения и идентификации подповерхностных объектов на различной глубине залегания, но и живых людей под завалами, возникшими в результате разрушения строительных конструкций и сооружений после взрывов и землетрясений. Это достигается осуществлением пространственного разрешения и подавлением сигналов от неподвижных объектов, что позволяет устранить помехи, вызванные присутствием подвижных объектов в облучаемой зоне, увеличить динамический диапазон приемного устройства и повысить вероятность обнаружения слабых сигналов, вызванных дыхательной и сердечной деятельностью.
Тем самым функциональные возможности устройства зондирования строительных конструкций расширены.