УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE FOR RADAR SENSING SUBSTRATE SURFACE

Изобретение относится к классу геофизических приборов, предназначенных для исследований, не нарушающих структуры грунта, на глубины от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Устройство может применяться для решения задач геологии, разведки полезных ископаемых, инженерной геологии, коммунального хозяйства, строительной экспертизы, археологии и экологии.
Известен ряд устройств подповерхностного зондирования почвы, основанных на принципах радиолокации и получивших название георадаров [1-5].
Основные недостатки этих приборов, ограничивающие их широкое применение в практике геолого-разведочных и инженерно-геологических изысканий, связаны с тем, что:
- приборы имеют недостаточную глубину зондирования (десятки метров) и неспособны отвечать запросам современной геофизики. Недостаточная глубина зондирования связана с неполным использованием резерва мощности передатчиков и «высокочастотностью» диапазона частот используемых антенн;
- приборы обладают ограниченным быстродействием (одно измерение за несколько секунд), что существенно ограничивает скорость выполнения обследований и производительность работ и делает невозможным применение механических средств передвижения антенного комплекса;
- приборы имеют недостаточную детальность оцифровки амплитуды зондирующего сигнала, что заметно снижает чувствительность георадара при зондировании на большие глубины;
- приборы не имеют встроенной системы навигации, способной отвечать требованиям выполнения геолого-разведочных работ на больших территориях в труднодоступных местах.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является устройство для радиолокационного зондирования постилающей поверхности, содержащее передающую часть и приемную часть, где передающая часть включает в себя последовательно связанные высоковольтный источник питания, формирователь зондирующих импульсов и передающую антенну, а приемная часть - последовательное связанные приемную антенну, средство обработки сигналов, средство представления результатов обработки сигналов [6].
Главные недостатки данного устройства заключаются в недостаточной мощности передатчика, малой глубине зондирования (десятки метров), ограниченном быстродействии и искажениях зондирующего сигнала, связанных с многопороговой схемой восстановления волновой формы сигнала большого динамического диапазона.
Другими словами, данный аналог, как и другие современные георадары, имеет недостаточную глубину зондирования (десятки метров) и не способен отвечать запросам современной геофизики. При этом они не могут обеспечить увеличение глубины зондирования, что обусловлено неполным использованием резерва мощности передатчиков и «высокочастотностью» диапазона частот используемых антенн.
Техническая задача, решаемая в данном изобретении, заключается в существенном увеличении глубины зондирования, повышении информативности данных, получаемых при зондировании, значительном повышении быстродействия и производительности георадарных работ.
Получаемый технический результат заключается в расширении диапазона принимаемых отраженных сигналов и существенном улучшении детальности оцифровки амплитуды зондирующих импульсов, что позволяет получать информацию о подповерхностных структурах с различных глубин зондирования практически без искажений, связанных с нелинейностью входных характеристик приемных элементов.
Технический результат обеспечивается за счет того, что создано устройство для радиолокационного зондирования постилающей поверхности, содержащее передающую часть и приемную часть, где передающая часть включает в себя последовательно связанные высоковольтный источник питания, формирователь зондирующих импульсов и передающую антенну, а приемная часть - последовательно связанные приемную антенну, средство обработки сигналов, средство представления результатов обработки сигналов. Особенность этого устройства заключается в том, что средство обработки сигналов содержит двухканальный аналого-цифровой преобразователь, выходы которого подключены к входам средства объединения канальных сигналов преобразователя для передачи средству представления результатов обработки сигналов. Каждый канал аналого-цифрового преобразователя содержит на входе усилительную схему, в одном из которых усилительная схема имеет характеристики, обеспечивающие возможность восприятия всех предусмотренных изменений амплитуды сигналов, возникающих в ответ на посылку зондирующего импульса, а другая имеет характеристики, обеспечивающие возможность восприятия заданных значений амплитуды сигналов, соответствующих наиболее слабым возникающим на глубине нескольких сотен метров отражениям сигналов в ответ на посылку зондирующего импульса, при этом использованы низкочастотные передающая и приемная антенны.
В частных случаях выполнения устройства:
устройство содержит регистратор, в качестве которого использован ноутбук;
аналого-цифровой преобразователь выполнен с возможностью обработки входного сигнала с динамическим диапазоном входного сигнала более 120 дБ и периодом дискретизации 0,3-0,6 нс;
зондирующие импульсы имеют напряжение 20-100 кВ;
используются низкочастотные антенны следующих параметров: 25 МГц (длина 6 м), 15 МГц (длина 10 метров), 10 МГц (длина 15 метров) и 5 МГц (длина 30 метров);
в конструкцию прибора включен встроенный высокоточный GPS приемник с занесением измеренных координат в протокол каждого измерения, а также встроенное WF устройство, использующееся при регистрации результатов зондирования на любом регистраторе, оснащенном WF связью.
Пример технической реализации предлагаемого технического решения представлен на прилагаемых к описанию графических материалах.
На фиг. 1 приведена общая блок-схема прибора. На фиг. 2 – блок-схема передатчика. На фиг. 3 – блок-схема приемника. На фиг. 4 показан заряд и разряд высоковольтного конденсатора при формировании зондирующих импульсов. На фиг. 5 показан широкополосный импульс, который в результате вырабатывается на антенну. На фиг. 6 показано соотношение частоты и затухания сигнала в одних и тех же условиях. На фиг. 7 и 8 показаны сигналы соответственно в канале, имеющем характеристики, обеспечивающие возможность восприятия заданных значений амплитуды сигналов, соответствующих наиболее слабым возникающим на глубине 500-600 метров отражениям сигналов в ответ на посылку зондирующего импульса (обозначим его «чувствительный» канал), и в канале, имеющем характеристики, обеспечивающие возможность восприятия всех предусмотренных изменений амплитуды сигналов, возникающих в ответ на посылку зондирующего импульса (обозначим его «грубый» канал).
Устройство (фиг. 1) содержит расположенный на передающей антенне (1) передатчик (2), генерирующий зондирующие импульсы напряжением 20-100 кВ, приемник (3), принимающий и оцифровывающий зондирующие сигналы. Приемник и передатчик устройства размещены на приемной (5) и передающей (1) низкочастотных (5-25 МГц) антеннах. Через WF канал связи результаты зондирования передаются на ноутбук-регистратор (4), расположенный в радиусе 50-100 метров от приемника.
Передатчик состоит из последовательно соединенных высоковольтного источника питания (2.1), накопительного конденсатора (2.2), цепочки разрядников (2.3) и передающей антенны (5-25 МГц) (1).
Приемник (3) устройства состоит из быстродействующего АЦП (3.2), оцифровывающего сигнал с динамическим диапазоном более 120 дБ, цифровой пороговой системы синхронизации запуска (3.4), встроенного GPS приемника (3.3) и микропроцессора (3.2), формирующего файл цифровых данных измерений и координат места измерения. Приемник устройства соединен с приемной низкочастотной антенной (5-25 МГц) (5).
Устройство работает следующим образом. Передатчик коммутирует на низкочастотную антенну импульсы 20-100 кВ с выбранным темпом, необходимым для проведения измерений (1-10 импульсов в секунду). Таким образом, передатчик коммутирует на клеммы антенны скачек напряжения с 10-20 кВ до нуля (фиг. 4).
Промежуток времени (I) - период зарядки конденсатора передатчика, длительность - единицы миллисекунд (10-3).
Промежуток времени (II) - период разрядки конденсатора при пробое разрядника, длительность - единицы наносекунд (10-9).
При поступлении такого скачка напряжения на антенну вырабатывается широкополосный импульс (фиг. 5). Максимум энергии спектра импульса будет на центральной частоте, определяемой длиной антенны. 6 метров - максимум на частоте 25 МГц, 10 метров - максимум на частоте 15 МГц и т.д.
Стремление сделать зондирующий сигнал как можно более «низкочастотным» связано с тем, что затухание зондирующего сигнала имеет существенную зависимость от частоты. Чем выше частота, тем выше затухание сигнала. И чем ниже частота, тем ниже затухание в одних и тех же условиях. Графически, по теоретическим и экспериментальным данным, эта зависимость выглядит так, как это показано на фиг. 6.
В диапазоне частот традиционных георадаров затухание действительно может составлять 5-10 и даже 20 дБ/м для влажной глины. На частотах менее 10 МГц затухание сигнала может оказаться существенно менее 1 дБ/м.
Смещение рабочей полосы частот зондирующего сигнала является одним из средств достижения максимальных глубин зондирования. При подаче команды на измерение с ноутбука-регистратора по WF каналу приемник с помощью цифрового порогового устройства принимает зондирующий импульс, пришедший через воздушный промежуток, и запускает АЦП.
В устройстве реализован быстродействующий двухканальный АЦП, позволяющий оцифровывать сигнал с динамическим диапазоном более 120 дБ и периодом дискретизации менее 1 нс с одного импульса. Самые современные АЦП не могут «охватить» весь динамический диапазон сигналов, принимаемых георадаром (>120 дБ). «Чувствительный» канал имеет самое большое усиление и предназначен для регистрации слабых отражений с больших глубин. При таком усилении мощные сигналы от неглубоких горизонтов будут в ограничении. Информация о структуре этих верхних слоев будет безвозвратно потеряна. Типичная картинка по «чувствительному» каналу приведена на фиг. 7.
В правой части чертежа представлена волновая форма измерения в районе курсора. Информация о возможной структуре верхних горизонтов утрачена.
На фиг. 8 приведен пример «грубого» канала. Общее усиление сигнала по тракту приемника такое, что отражения от верхних слоев представлены во всех изменениях амплитуды, без ограничения. Структура верхних слоев прописана очень подробно. Нижняя часть развертки вырождается в шумовую дорожку. Информации о глубинных слоях разреза нет. Сигнал потерян в шумах.
Параллельная регистрация по «грубому» и «чувствительному» каналу позволяет после объединения сигналов, в частности после простого их сложения, получить отраженный сигнал, одинаково хорошо информативный как в верхней, так и в нижней части геологического разреза.
АЦП регистрирует отраженный сигнал с периодом дискретизации менее 1 нс и детальностью 4096 уровней амплитуды в течение установленного времени регистрации (до 10000 нс). В устройстве реализован быстродействующий двухканальный АЦП, позволяющий оцифровывать сигнал с динамическим диапазоном более 120 дБ и периодом дискретизации менее 1 нс с одного импульса.
Устройство реализует прямую оцифровку принимаемого отраженного сигнала с одного импульса. Принципиальное отличие реализованного процесса оцифровки от стандартного заключается в том, что оцифровывается с одного импульса сигнал с динамическим диапазоном изменения амплитуды более 120 дБ (более 100000 раз). Оцифровка принимаемого сигнала происходит с периодом дискретизации менее 1 нс. Быстродействие реализованного процесса оцифровки позволяет повысить скорость измерения до нескольких сотен измерений в секунду. Производительность съемки новым прибором возрастает в десятки раз. Использование быстродействующего АЦП позволяет повысить детальность оцифровки амплитуды сигнала до 4096 уровней (у прототипа 128).
В новом приборе обработка сигнала производится с введением больших временных разверток регистрации отраженного сигнала. В приборе предусмотрены развертки до 10000 нс, что позволяет реализовать сверхмощный потенциал нового прибора и работать с сигналами с глубин до 500-600 метров.
Использование передатчиков с импульсным напряжением 20, 50 и 100 кВ позволяет говорить о достижении глубин зондирования в высокоомных грунтах до 500-600 метров. Работа таких высоковольтных передатчиков с новым быстродействующим приемником позволяет в десятки раз снизить частоту повторения зондирующих импульсов. Это положительно сказывается на ресурсе разрядника, длительности работы от одной зарядки и на экологических аспектах.
Частотная зависимость затухания зондирующего электромагнитного сигнала позволяет достичь больших глубин зондирования в одинаковых условиях, с одинаковой мощностью, но на более низких частотах. Новая техническая реализация прибора рассчитана на работу с антеннами 25 МГц (6 м), 15 МГц (10 метров), 10 МГц (15 метров) и 5 МГц (30 метров).
Включение в состав нового прибора встроенного высокоточного GPS приемника позволяет осуществить измерение координат положения приемника георадара, которое выполняется с заданной временной и пространственной подробностью. Измеренные координаты записываются в протокол каждого измерения.
Беспроводной способ передачи данных измерений позволяет регистрировать результаты зондирования на любой ноутбук, оснащенный WF связью.
Комплектация прибора сверхмощными импульсными передатчиками (20-100 кВ), низкочастотными антеннами 5-25 МГц, а также и встроенным высокоточным GPS приемником обеспечивает новую реализацию георадара, способную решать геологические задачи в высокоомных грунтах до глубин 500-600 метров.
Заявленное изобретение является промышленно применимым, поскольку для его реализации не требуются материалы, технологии и приборы, не известные из уровня техники на сегодняшний день.
Источники информации
1. JP 2012137461 А, 19.07.2012.
2. US 2016061948 А, 03.03.2016.
3. CN 204347243 U, 20.05.2015.
4. RU 2080622 С1, 10.04.1997.
5. RU 2205424 C1, 27.05.2003.
6. RU 2248585 C2, 20.03.2005.