СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИИ ОБЪЕКТОВ В СЛАБОПРОВОДЯЩИХ СРЕДАХ
METHOD FOR RADAR LOCATION OF OBJECTS IN WEAKLY CONDUCTIVE MEDIA

Изобретение относится к области техники, занимающейся подповерхностной радиолокацией объектов.
Известен способ (аналог), реализованный в унифицированном генераторно-измерительном комплексе крайне низких и сверхнизких частот для геофизических исследований [Патент РФ 2188439 C2 G01V 3/12, опубл. 2002 г.]. Способ-аналог заключается в возбуждении зондирующего синусоидального сверхнизкочастотного (СНЧ) электромагнитного колебания, приеме и обработке отраженных колебаний и отображении результата. В известном способе применяется «n» генераторов синусоидального СНЧ тока, подключенных к единому задающему генератору, нагруженных на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные передающие антенны с заземлителями на концах. В измерительном комплексе содержатся «n» электрических и магнитных каналов приема, в состав которых входят электрическая и магнитная приемные антенны соответственно и модули обработки сигналов.
Реализованный в устройстве способ имеет ряд недостатков:
- необходимость использования дополнительного оборудования регистрации отраженных электромагнитных колебаний, невозможность использования одной антенны для излучения и приема зондирующих колебаний;
- требуется размещение «n» передающих антенн над почвой с различными электрическими параметрами, что не всегда выполнимо.
Известен также способ электромагнитного зондирования земной коры с использованием нормированных источников поля [Патент РФ 2093863, МКИ 6 G01V 3/12, опубл. 1997 г.]. Способ-прототип заключается в возбуждении зондирующего синусоидального СНЧ электромагнитного колебания, приеме и обработке отраженных колебаний и отображении результата. Диапазон рабочих частот - единицы, десятки или сотни Гц. Способ-прототип реализован в устройстве, содержащем два генератора синусоидального тока, которые нагружены на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные и заземленные на концах антенны. Возможна работа в двух режимах: в первом - излучение осуществляется одним из радиопередающих модулей (соответственно - одним генератором и одной антенной), в другом - двумя радиопередающими модулями. Регистрация излучения, создаваемого СНЧ-радиоустановкой, осуществляется с помощью измерительного комплекса «БОРОК» ОИФЗ РАН. Такой комплекс представляет собой совокупность датчиков геофизических величин, измерительных усилителей и аналоговых фильтров, системы регистрации и службы времени. По сравнению со способом-аналогом массогабаритные показатели устройства и потребляемая мощность меньше в n раз, что связано с использованием в способе-аналоге «n» генераторов синусоидального тока.
Недостатками способа-прототипа являются:
- необходимость использования дополнительного оборудования регистрации отраженных колебаний, невозможность использования одной антенны для излучения и приема зондирующих колебаний.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа радиолокации подповерхностных объектов, обеспечивающего возможность исследования объектов на большой глубине (сотни и тысячи метров) электромагнитными колебаниями, излучаемыми и принимаемыми одной антенной.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе радиолокации объектов в слабопроводящих средах, по которому зондируют среду сверхнизкочастотными электромагнитными колебаниями с последующим приемом и обработкой отраженных от объекта колебаний, согласно заявляемому изобретению, периодически переключают антенну с генератора на приемник таким образом, что в моменты подключения генератора приемник отключен, а в моменты отключения генератора антенна соединена с приемником, полученными таким образом сверхнизкочастотными электромагнитными колебаниями осуществляют зондирование, а прием ведут в моменты отсутствия сигнала генератора на антенне, принятый сигнал восстанавливают по форме до гармонического фильтрацией на частоте генератора и сравнивают по фазе с сигналом генератора и по разности фаз Δφ производят вычисление глубины залегания объекта по формуле:
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>φ</mi></mrow><mi>ω</mi></mfrac><msub><mi>υ</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>,</mo></mrow>
где H - расстояние до отражающего объекта,
ω - угловая частота,
ср
υ - скорость распространения волн в среде,
Δφ - разность фаз между сигналом генератора и восстановленным сигналом:
Δφ=ωΔt,
где Δt - время задержки.
Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что наиболее оптимальной является частота коммутации, не менее чем в десять раз превышающая частоту гармонического сигнала генератора и кратная ей, а временные отрезки излучения и приема зондирующих колебаний равны между собой.
Сущность изобретения поясняется ниже на примерах компьютерного моделирования и математических расчетов со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 показывает эпюры сигналов, а именно: фиг.1а - сигнала генератора, фиг.1б - излучаемого сигнала, фиг.1в - принимаемого приемником, фиг.1г - обрабатываемого, фиг.1д - восстановленного.
Фиг.2 представляет блок-схему устройства для реализации предлагаемого способа радиолокации, где блок 1 - генератор, 2 - приемник, 3 - коммутатор, 4 - антенна, 5 - объект отражения, 6 - устройство обработки информации, 7 - блок синхронизации.
p
и
Излучаемые колебания можно назвать разрывными, то есть колебаниями, полученными из гармонических колебаний, которые формирует генератор, путем периодического переключения антенны с генератора на приемник таким образом, что в моменты подключения генератора приемник отключен, а в моменты отключения генератора антенна соединена с приемником, при этом частота коммутации в десять и более раз превышает частоту генератора и кратна ей. Условие кратности частоты коммутации частоте генератора позволяет получить целое число импульсов в периоде гармонического колебания. Математически функцию разрывного колебания (S) можно записать как произведение гармонического колебания (с частотой f) и периодической последовательности однополярных импульсов (S) с частотой, в десять и более раз большей частоты гармонического колебания, и скважностью
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mi>п</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>и</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>:</mo></mrow>
p
и
S(t)=cos(2πft)·S(t),
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>и</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>1,</mn><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>t</mi><mo>∈</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>n</mi><msub><mi>T</mi><mi>и</mi></msub><mo>,</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>T</mi><mi>и</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0,</mn><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>t</mi><mo>∈</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>T</mi><mi>и</mi></msub><mo>,</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>T</mi><mi>и</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
где n=0, 1, 2 …;
п
T - период импульсной последовательности;
и
Т - длительность отдельного импульса,
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>п</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mi>k</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где k показывает, во сколько раз период гармонического колебания меньше периода импульсной последовательности.
Скважность
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mi>п</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>и</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn></mrow>
приводит к равенству временных отрезков излучения и приема зондирующих колебаний.
Земная кора является слабопроводящей средой, т.к. обладает свойствами проводника и диэлектрика [Р.Кинг, Г.Смит. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах. Кн.1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. С.408-413]. Зондирующий сигнал является широкополосным, ширина спектра возрастает с ростом частоты коммутации. В процессе его распространения в слабопроводящей среде он меняет свою форму: из-за поглощения средой электромагнитного колебания общий уровень сигнала снижается, из-за дисперсии (различная скорость распространения и затухание спектральных компонент) «расплываются» фронты импульсов, из-за процесса отражения значительно снижается уровень (отражается лишь часть сигнала).
На фиг.1 приведены эпюры сигналов, которые являются результатом компьютерного моделирования, проведенного в соответствии с [Неганов В.А. и др. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебное пособие / Под ред. В.А.Неганова и С.Б.Раевского. Изд. 3-е, доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2007. С.116-117] и представляют простейший случай излучения, отражения от объекта с меньшей электрической плотностью (удельная проводимость среды распространения больше удельной проводимости объекта отражения), приема и фильтрации отраженного сигнала (выделение частоты генератора). В зависимости от параметров сред (диэлектрической проницаемости s и удельной проводимости а) эпюры сигналов будут различаться (при большей электрической плотности среды распространения «расплывание» фронтов зондирующего сигнала из-за дисперсии будет более выраженным, при большей электрической плотности объекта отражения по сравнению со средой распространения сигнала его полярность изменится и т.д.).
Частота коммутации не может быть меньше частоты дискретизации по теореме Котельникова. Согласно компьютерным экспериментам оптимальной является частота коммутации в 10·f, где f - частота гармонического сигнала генератора. При меньшей частоте коммутации увеличивается количество спектральных компонент вблизи f, что усложняет фильтрацию обрабатываемого сигнала и определение разницы фазы обрабатываемого сигнала и сигнала генератора. При большей частоте коммутации качество фильтрации почти не меняется, но увеличивается ширина спектра излучаемого колебания в область высоких частот и потеря энергии сигналом из-за того, что с увеличением частоты увеличивается затухание спектральных компонент, фильтруемых при обработке отраженного колебания, что является энергетически нецелесообразным.
Расчеты, проведенные для частоты зондирования 25 Гц для слабопроводящих сред с различающимися параметрами в соответствии с [Неганов В.А. и др. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебное пособие / Под ред. В.А.Неганова и С.Б.Раевского. Изд. 3-е, доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2007, С.96-100] сведены в таблицу 1.
Таблица 1
f<sub>зонд</sub>, Гц
Глубина проникновения, δ, м
Длина волны в среде, λ<sub>ср</sub>, м
Затухание в среде, α, дБ/м
Параметры среды, ε и σ (См/м)
25
3.1·10<sup>3</sup>
1.94·10<sup>4</sup>
3.2·10<sup>-5</sup>
ε=5, σ=10<sup>-3</sup>
10<sup>3</sup>
6.28·10<sup>3</sup>
10<sup>-3</sup>
ε=5, σ=10<sup>-2</sup>
Согласно результатам компьютерного эксперимента и проведенным расчетам заявляемый способ радиолокации подповерхностных объектов возможен в пределах нескольких километров.
Способ осуществляется следующим образом. Генератор гармонических колебаний СНЧ диапазона 1 и приемник этих колебаний 2 подключены к коммутатору 3 таким образом, что к антенне 4 в тот или иной момент времени оказывается подключенным приемник либо передатчик. Коммутатор 3 периодически со скважностью
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mi>п</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>и</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn></mrow>
непрерывно осуществляет переключение. Сигнал с выхода генератора 1 подается на устройство обработки информации и на антенну через коммутатор, антенна излучает зондирующее разрывное колебание, которое, пройдя толщу среды с минимальным затуханием, отразится от объекта отражения 5, и в моменты, когда отключен генератор, регистрируется и восстанавливается приемником 2 и обрабатывается устройством обработки информации 6, вычисляющем время задержки, разность фаз с исходным сигналом и глубину объекта отражения. Работу устройств 1-6 синхронизирует блок синхронизации 7.
Таким образом, заявленный способ радиолокации объектов в слабопроводящих средах может быть реализован и позволяет проводить зондирование подповерхностных объектов на большой глубине с использованием одной антенны. Данный результат достигается использованием разрывных электромагнитных колебаний сверхнизкой частоты. Разность фаз между излучаемым и обрабатываемым сигналами содержит информацию о глубине залегания объекта.