КОМПЛЕКСНЫЙ РАДИОЛОКАТОР ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована для измерения электрофизических характеристик почвогрунтов и построения геологических разрезов, определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды, определения положения грунтовых вод, определения неоднородностей, включений бетонных конструкций.
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 прямому измерению электрофизических характеристик верхних слоев подповерхностной среды и точному измерению толщины конструктивных слоев дорожной одежды, глубины залегания инженерных геологических элементов, местонахождения неоднородностей, включений и границ бетонных конструкций.
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 прямому измерению электрофизических характеристик верхних слоев подповерхностной среды и точному измерению толщины конструктивных слоев дорожной одежды, глубины залегания инженерных геологических элементов, местонахождения неоднородностей, включений и границ бетонных конструкций.
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 прямому измерению электрофизических характеристик верхних слоев подповерхностной среды и точному измерению толщины конструктивных слоев дорожной одежды, глубины залегания инженерных геологических элементов, местонахождения неоднородностей, включений и границ бетонных конструкций.
Технической задачей полезной модели является прямое измерение радиояркостной температуры верхних слоев грунтов при подповерхностном зондировании с последующим точным измерением толщины конструктивных слоев дорожной одежды, глубины залегания инженерных геологических элементов, местонахождения неоднородностей, включений и границ бетонных конструкций.
Поставленная задача решается тем, что комплексный радиолокатор подповерхностного зондирования, содержащий приемную антенну, электронный ключ, последовательно соединенные генератор видеоимпульсов и передающую антенну, последовательно соединенные усилитель и стробоскопический преобразователь, устройство синхронизации и обработки сигналов, первый выход которого соединен с управляющим входом стробоскопического преобразователя и входом генератора видеоимпульсов, а первый сигнальный вход устройства синхронизации и обработки сигналов подключен к выходу стробоскопического преобразователя, отличается от ближайшего аналога тем, что в состав радиолокатора дополнительно введены последовательно соединенные квадратичный детектор и интегратор, при этом, выход приемной антенны подключен ко входу усилителю, вход электронного ключа подключен к выходу усилителя, выход интегратора подключен ко второму сигнальному входу устройства синхронизации и обработки сигналов, а управляющий вход электронного ключа подключен ко второму выходу устройства синхронизации и обработки сигналов.
Структурная схема комплексного радиолокатора подповерхностного зондирования представлена на фиг. 1.
Радиолокатор включает в себя: 1 - передающая антенна, 2 - генератор видеоимпульсов, 3 - приемная антенна, 4 - усилитель, 5 - стробоскопический преобразователь, 6 - устройство синхронизации и обработки сигналов, 7 - электронный ключ, 8 - квадратичный детектор, 9 - интегратор.
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 сверхкоротких видеоимпульсов.
Согласно импульсному методу измерения дальности до объекта, граница раздела сред в подповерхностной радиолокации, находящаяся на глубине h, определяется по измеренному значению интервала времени t, в течение которого сигнал, излученный передатчиком, отражается от границы раздела и приходит на вход приемника:
,
где c - скорость электромагнитной волны в свободном пространстве, а e - диэлектрическая проницаемость почвогрунта. Точность определения местонахождения границы раздела сред прямо связана с точностью оценки диэлектрической проницаемости почвогрунта.
При практическом использовании подповерхностных радиолокаторов в инженерной геологии, строительстве, археологии, оценку диэлектрической проницаемости верхних слоев выполняют, используя имеющие скважинные данные расслоения почвогрунтов и данные дифракции радиоволн одиночными предметами (Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / под ред. А.Ю. Гринева. - М.: Радиотехника, 2005. - 416 с). При этом, выемка земли и подготовка калибровочной скважины по изучению расслоения грунтов требуют длительного времени и значительных затрат и не всегда возможны. Данные дифракции радиоволн могут быть получены не всегда, а только при наличии одиночных объектов, таких, например, как труба, провод, при этом, диэлектрическая проницаемость среды, окружающей одиночный объект, определяется при условии перпендикулярного пересечения объекта в ходе профилирования; пересечение под любым другим углом приводит к неверным результатам. Таким образом, используемые методы не позволяют получить надежную и точную оценку диэлектрической проницаемости верхних слоев подповерхностной среды.
Включение в состав радиолокатора радиометрического приемника позволяет проводить прямое измерение радиояркостной температуры почвы, связанной с диэлектрической проницаемостью верхних слоев почвогрунтов (О. Бухцоож. Комплексирование радиолокационной системы подповерхностного зондирования для повышения информативности и улучшения результатов измерения путем модификации приемного тракта георадара. Идентификационный номер статьи, присвоенный ФГУП НТЦ “Информрегистр”, 0421000114\0018 / Журнал радиоэлектроники, №5, май 2010, ISSN 1684-1719), что улучшает точность измерения толщины конструктивных слоев дорожной одежды, глубины залегания инженерных геологических элементов, местонахождения неоднородностей, включений и границ бетонных конструкций.
Комплексный радиолокатор подповерхностного зондирования работает следующим образом.
Устройство синхронизации и обработки сигналов 6 формирует на своем первом выходе сигналы запуска генератора видеоимпульса 2 и стробоскопического преобразователя 5 в моменты времени
t=nT, n=1, 2, 3…
где T - период следования синхроимпульсов, что приводит к формированию на выходе генератора видеоимпульсов 2 сверхкоротких импульсов, с последующим их излучением в подповерхностную среду передающей антенной 1.
Устройство синхронизации и обработки сигналов 6 формирует на своем втором выходе сигналы запуска электронного ключа 7 в моменты времени
t=nT+Δt, n=1, 2, 3…
ля
где T - период следования синхроимпульсов, Δt - интервал, равный значению максимального времени задержки приема рассеянных сигналов, при этом Δt<T, драдиолокаторов подповерхностного зондирования серии ОКО глубина зондирования в зависимости от рабочей частоты и типа грунта составляет h=1,2÷12 м (Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / под ред. А.Ю. Гринева. - М.: Радиотехника, 2005. - 416 с. ), при этом, максимальное время задержки приема рассеянных сигналов составляет t=25÷250 нс.
Неоднородности, границы раздела, пустоты и разуплотнения подповерхностной среды рассеивают зондирующие сверхкороткие импульсы, при этом, обратно рассеянные сигналы улавливаются приемной антенной 3. Принятые антенной 3 сверхширокополосные сигналы поступают в усилитель 4, который компенсирует затухание обратно рассеянных сигналов в подповерхностной среде. Стробоскопический преобразователь 5 выполняет масштабно-временное преобразование и переводит принятые сверхкороткие импульсы в цифровую форму, необходимую для дальнейшей обработки. По завершению приема и обработки рассеянных сигналов, происходит измерение радиояркостной температуры почвогрунтов, при этом, тепловое радиоизлучение почвогрунта улавливается приемной антенной 3, поступает в усилитель 4, с выхода которого снимается усиленный шумовой сигнал и поступает на вход электронного ключа 7.
Момент времени, в который открывается электронный ключ 7, определяется значением максимального времени задержки приема рассеянных сигналов, которое может составить Момент времени, в который открывается электронный ключ 7, определяется значением максимального времени задержки приема рассеянных сигналов, которое может составить t=25÷250 нс. Длительность сигналов, открывающих электронный ключ 7, должна быть достаточна для измерения радиояркостной температуры теплового шума почвогрунтов, которое реализуется последовательно выполняемыми операциями квадратичного детектирования 8 и интегрирования 9 (О. Бухцоож. Комплексирование радиолокационной системы подповерхностного зондирования для повышения информативности и улучшения результатов измерения путем модификации приемного тракта георадара. Идентификационный номер статьи, присвоенный ФГУП НТЦ "Информрегистр", 0421000114\0018 / Журнал радиоэлектроники, №5, май 2010, ISSN 1684-1719). Результат измерения радиояркостной температуры с выхода интегратора 9 в форме аналогового сигнала поступает на второй сигнальный вход устройства синхронизации и обработки сигналов 6, где формируется оценка диэлектрической проницаемости почвогрунтов. Выделенные методом сверхширокополосного зондирования неоднородности, границы раздела, пустоты и разуплотнения и сформированная в ходе радиометрических измерений оценка диэлектрической проницаемости подповерхностной среды могут быть отображены внешним индикатором, не входящим в состав устройства синхронизации и обработки сигналов 6, что позволяет с высокой достоверностью определить толщину конструктивных слоев дорожной одежды, глубину залегания инженерных геологических элементов, местонахождение неоднородностей, включений и границ бетонных конструкций.