УСТРОЙСТВО ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
SUBSURFACE PROBING DEVICE

Изобретение относится к радиотехнике, преимущественно к радиолокации объектов, и, в частности, может быть использовано для подповерхностного зондирования внутренних органов и структур человека и животных в процессе ультразвуковых исследований.
Известен «Радар подповерхностного зондирования», содержащий антенну, соединенную с антенным переключателем, который соединен с выходом передатчика и входом высокочастотного блока приемника, соединенными через усилитель промежуточной частоты с преобразователем координат, на выходе которого включен дисплей; блок селекции дальности с n-входами, каждый из n-входов которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты и с одним из входов n-перемножителей, другой вход каждого из которых соединен с выходом генератора строб-импульсов, при этом каждый из n-выходов блока селекции дальности через вход блока доплеровской фильтрации соединен с одним из m доплеровских фильтров, выход каждого из которых соединен со своим детектором-интегратором, выходы которых соединены с преобразователем координат (Свидетельство на полезную модель РФ №22826, опубл. 27.04.2002).
Недостатком известного радара является низкая точность определения координат точечной цели.
Известно устройство для радиолокационного зондирования подповерхностного пространства, содержащее передающую антенну с передатчиком зондирующего импульса, приемную антенну с усилителем отраженных от подповерхностных объектов импульсов и связанным с ним аналого-цифровым преобразователем 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 радиопоглоающего 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 (Патент на полезную модель РФ №81812, опубл. 27.03.2009).
Недостатком устройства является невозможность измерения координат подповерхностной точечной цели.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство дистанционного зондирования подповерхностных слоев почвы, используемое при решении задач электроразведки с помощью радиолокаторов бокового обзора, установленных на борту летательных аппаратов, для повышения разрешающей способности по глубине путем обработки отраженных сверхширокополосных сигналов в фазовой плоскости методом обобщенной частоты. Устройство содержит антенную систему (далее антенная система с приемо-передающей и приемной антеннами), блок сканирования диаграммой направленности, антенный коммутатор, передатчик, блок высокой частоты (далее малошумящий усилитель), линию задержки, усилитель-ограничитель, первый детектор, триггер, аттенюатор, второй детектор, усилитель промежуточной частоты, третий детектор, индикаторный блок, синхронизатор, генератор быстрого пилообразного напряжения, компаратор, генератор строб-импульсов, стробоскопический смеситель, расширитель импульсов, фильтр нижних частот, усилитель модулятора яркости, генератор медленного пилообразного напряжения, делитель частоты (далее делитель частоты на два), электронно-лучевой индикатор, генератор горизонтальной развертки, первый и второй дифференцирующие блоки, первый, второй и третий квадраторы, нормирующий блок, первый и второй перемножители, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки извлечения квадратного корня и делитель напряжений (Патент РФ №2154845, опубл. 20.08.2000).
К недостаткам известного устройства (далее устройства подповерхностного зондирования) можно отнести низкую точность измерения, что обусловлено отсчитыванием координат точечной цели по двумерному изображению подповерхностного пространственно-временного сигнала на экране электронно-лучевого индикатора, а также невозможность его использования при подповерхностном зондировании внутренних органов человека и животных в процессе ультразвуковых исследований.
В основу изобретения положена задача повышения точности определения координат точечной цели при подповерхностном зондировании и, в частности, при ультразвуковых исследованиях внутренних органов и структур человека и животных.
Поставленная задача решается тем, что устройство подповерхностного зондирования, включающее антенную систему с приемо-передающей и приемной антеннами, антенный коммутатор, передатчик, первый малошумящий усилитель, первый и второй детекторы, индикаторный блок, синхронизатор, делитель частоты на два, первый, второй и третий квадраторы, первый и второй перемножители, первый и второй сумматоры и блок извлечения квадратного корня, согласно изобретению дополнительно содержит блок ввода данных, третий, четвертый и пятый сумматоры, делитель, второй малошумящий усилитель, первый и второй цифровые измерители длительности интервалов времени, причем к выходу синхронизатора последовательно подключены передатчик, антенный коммутатор и антенная система с приемо-передающей и приемной антеннами, ко второму выходу антенного коммутатора последовательно подключены первый малошумящий усилитель, первый детектор, первый цифровой измеритель длительности интервала времени, первый квадратор, первый сумматор, первый перемножитель, второй сумматор, делитель, третий сумматор, второй квадратор, четвертый сумматор, блок извлечения квадратного корня и индикаторный блок, который вторым входом подключен к выходу делителя, между выходом антенной системы с приемо-передающей и приемной антеннами и четвертым сумматором последовательно включены второй малошумящий усилитель, второй детектор, второй цифровой измеритель длительности интервала времени, пятый сумматор, третий квадратор и второй перемножитель, выход передатчика соединен со вторыми входами первого и второго цифровых измерителей длительности интервала времени, выход синхронизатора соединен с третьим входом второго цифрового измерителя длительности интервала времени и с входом делителя частоты на два, выход которого соединен с третьим входом первого цифрового измерителя длительности интервала времени, чей выход соединен со вторым входом пятого сумматора, выход третьего квадратора соединен со вторым входом первого сумматора, а блок ввода данных подключен своими выходами ко вторым входам третьего сумматора, делителя, второго сумматора и первого и второго перемножителей соответственно.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства подповерхностного зондирования. На фиг.2 приведена геометрия подповерхностного зондирования при расположении в исследуемом пространстве точечной цели.
Устройство подповерхностного зондирования содержит синхронизатор 1, последовательно соединенный с передатчиком 2, антенным коммутатором 3 и антенной системой 4 с приемо-передающей и приемной антеннами. Ко второму выходу антенного коммутатора 3 последовательно подключены первый малошумящий усилитель 5, первый детектор 6, первый цифровой измеритель 7 длительности интервала времени, первый квадратор 8, первый сумматор 9, первый перемножителъ 10, второй сумматор 11, делитель 12, третий сумматор 13, второй квадратор 14, четвертый сумматор 15, блок 16 извлечения квадратного корня и индикаторный блок 17, который вторым входом подключен к выходу делителя 12. К выходу антенной системы 4 с приемо-передающей и приемной антеннами последовательно подключены второй малошумящий усилитель 18, второй детектор 19, второй цифровой измеритель 20 длительности интервала времени, пятый сумматор 21, третий квадратор 22 и второй перемножитель 23, выход которого соединен со вторым входом четвертого сумматора 15. Выход передатчика 2 соединен со вторыми входами первого и второго цифровых измерителей 7 и 20 длительности интервала времени. Выход синхронизатора 1 также соединен с третьим входом второго цифрового измерителя 20 длительности интервала времени и с входом делителя 24 частоты на два, выход которого соединен с третьим входом первого цифрового измерителя 7 длительности интервала времени, чей выход соединен также со вторым входом пятого сумматора 21. Выход третьего квадратора 22 соединен также со вторым входом первого сумматора 9. Блок 25 ввода данных подключен своими выходами соответственно ко вторым входам третьего сумматора 13, делителя 12, второго сумматора 11 и первого и второго перемножителей 10 и 23.
кв.
кв
Работает устройство следующим образом. Синхронизатор 1 формирует бесконечную последовательность коротких электрических импульсов, следующих с частотой квантования f Этими импульсами запускаются передатчик 2, в котором частота fпонижается до частоты зондирующих импульсов, которые через антенный коммутатор 3 возбуждают приемо-передающую антенну антенной системы 4. В этот же момент времени запускаются по второму входу первый 7 и второй 20 цифровые измерители длительности интервала времени.
Зондирующий сигнал излучается приемо-передающей антенной антенной системы 4 в исследуемое подповерхностное пространство (например, в исследуемую область тела человека или животного в процессе ультразвуковых исследований). Прием сигнала, отраженного точечной целью, осуществляется приемо-передающей и приемной антеннами антенной системы 4.
0,
1
a
а
0
0
1
1
0
0
1
1
Пусть приемо-передающая антенна антенной системы 4 расположена на поверхности исследуемого подповерхностного пространства в точке X а приемная антенна в точке X (фиг.2). Точечная цель расположена в исследуемом подповерхностном пространстве и имеет координаты Z (глубина) и Х. Как следует из геометрических построений, цель находится в точке пересечения двух окружностей - первой с центром в точке Х и радиусом t*V и второй с центром в точке X и радиусом t*V, где V - скорость распространения сигнала в подповерхностном пространстве, t - время прохождения зондирующего сигнала от точки X до точечной цели, t - время хода отраженного сигнала от точечной цели до точки приема X.
Антенный коммутатор 3 обеспечивает переключение зондирующих (излучаемых) и принимаемых сигналов в режиме прием - передача с целью развязки достаточно мощного зондирующего сигнала с выхода передатчика 2 от входа первого малошумящего усилителя 5.
0
кв
Принятый приемо-передающей антенной антенной системы 4 отраженный целью сигнал через антенный коммутатор 3 поступает на вход первого малошумящего усилителя 5, где он усиливается и поступает на первый детектор 6, где происходит выделение огибающей этого сигнала. Далее сигнал с выхода первого детектора 6 поступает на первый вход первого цифрового измерителя 7 длительности интервала времени, что останавливает подсчет квантующих импульсов его счетчиком. Поскольку длительность интервала времени, измеряемого в узле 7, формируется в результате прохождения импульсом двойного расстояния до цели, то для получения значения t необходимо на первый цифровой измеритель 7 длительности интервала времени подавать частоту квантования f/2. Для этого квантующая частота с выхода синхронизатора 1 поступает на третий вход первого цифрового измерителя через делитель 24 частоты на два.
кв
Принятый приемной антенной антенной системы 4 отраженный целью сигнал после усиления во втором малошумящем усилителе 18 поступает на второй детектор 19, где происходит выделение огибающей этого сигнала. Далее сигнал с выхода второго детектора 19 поступает на первый вход второго цифрового измерителя 20 длительности интервала времени, что останавливает подсчет квантующих импульсов его счетчиком. Квантование второго цифрового измерителя 20 длительности интервала времени осуществляется по третьему входу частотой f с выхода синхронизатора 1. Цифровые измерители длительности интервалов времени широко известны и достаточно глубоко описаны (например, в книге Цифровая фазометрия. - Радио и связь, 1993, автор М.К.Чмых).
0
0
0
2
Измеренное значение t в виде числа N с выхода первого цифрового измерителя 7 длительности интервала времени поступает на второй вход пятого сумматора 21 и на вход первого квадратора 8, с выхода которого значение N  поступает на первый вход первого сумматора 9.
0
1
0
1
0
1
2
Измеренное значение t+t в виде числа N с выхода второго цифрового измерителя 20 длительности интервала времени поступает на первый вход пятого сумматора 21, где из него вычитается N. С выхода пятого сумматора 21 число N=N-N поступает на вход третьего квадратора 22, с выхода которого значение N  поступает на второй вход первого сумматора 9 и на первый вход второго перемножителя 23.
1
2
В первом сумматоре 9 производится операция вычитания N  из
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
а
1
1
a
1
a
1
1
a
1
a
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
N .Число, равное N -N  с выхода первого сумматора 9, поступает на первый вход первого перемножителя 10, на второй вход которого поступает константа V с первого выхода блока 25 ввода данных, которая также подается на второй вход второго перемножителя 23, где производится операция умножения числа N  на константу V. В первом перемножителе 10 осуществляется операция умножения числа N -N  на константу V. С выхода первого перемножителя 10 значение V(N -N ) поступает на первый вход второго сумматора 11, на второй вход которого со второго выхода блока 25 ввода данных поступает константа X -X . Во втором сумматоре 11 происходит сложение чисел V(N -N ) и X -X . Далее значение V(N -N )+X -X с выхода второго сумматора 11 поступает на первый вход делителя 12, на второй вход которого поступает константа 2(X-X) с третьего выхода блока 25 ввода данных. В делителе 12 число, поступившее на первый его вход, делится на число, поступившее на второй его вход. Число Х с выхода делителя 12 поступает на второй вход индикаторного блока 17 и на первый вход третьего сумматора 13, на второй вход которого поступает константа X с четвертого выхода блока 25 ввода данных. В третьем сумматоре производится операция вычитания числа X из числа, поступившего на первый его вход. Значение X-X с выхода третьего сумматора 13 поступает на вход второго квадратора 14, где производится операция взятия числа в квадрат. Затем значение (X-X) со второго квадратора 14 поступает на первый вход четвертого сумматора 15, на второй вход которого поступает число с выхода второго перемножителя 23. В четвертом сумматоре 15 число, поступившее на первый его вход, вычитается из числа, поступившего на второй его вход. Значение (Vt)-(X-X) с выхода четвертого сумматора 15 поступает на блок 16 извлечения квадратного корня, где происходит операция извлечения квадратного корня. Число Z с выхода блока 16 извлечения квадратного корня подается на первый вход индикаторного блока 17.
a
a
Таким образом, можно показать, что координаты X и Z вычисляются по формулам
,
,
a
причем для вычисления Z используется только положительное значение корня.
a
а
На индикаторном блоке 17 отображаются численные значения координат точечной цели Z и X с точностью до погрешности выполнения вычислительных операций.
Отсчет координат ведется от точки начала координат, которой, например, может быть приемо-передающая антенна антенной системы 4.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности определения координат точечной цели при подповерхностном зондировании и, в частности, при ультразвуковых исследованиях внутренних органов и структур человека и животных.