3D ГЕОРАДИОТОМОГРАФ

Область техники
Полезная модель относится к радиолокационным устройствам для обнаружения и пространственной локализации объектов и неоднородностей, скрытых в различных средах (грунт, дорожные покрытия, строительные конструкции, поиск людей под лавинами и др.), в частности, представляет собой устройство радиоволнового подповерхностного 3D-зондирования.
Уровень техники
В настоящее время существует потребность в создании современных программно-аппаратных средств обнаружения и визуализации различных скрытых объектов и предметов. При этом возникает задача создания таких средств обнаружения, которые позволяют использовать их без вреда для человека и окружающей среды. Так широкое применение получили радиоволновые томографы миллиметрового диапазона длин волн, которые призваны обеспечить возможность эффективного обнаружения, контроля и пространственной локализации объектов и неоднородностей.
Из уровня техники известны устройства подповерхностного зондирования. Так известен Георадар-обнаружитель "АБ-400СН" Бюро Научно-Технической Информации «Техника для спецслужб»,  опуб. 13.07.2012. Представленное устройство предназначено для радиоволнового зондирования сквозь стены. Работает в частотном диапазоне 400 МГц с разрешающей способностью 0.15 м и позволяет обнаруживать за преградами людей по их движению через железобетонные и многослойные строительные конструкции. При обнаружении оператор видит на экране монитора отметки от движущихся людей и слышит изменяющийся по тону звуковой сигнал, характеризующий приближение или удаление человека от точки наблюдения.
Недостатками устройства являются низкая эффективность обнаружения объектов, отсутствие поперечного разрешения и недостаточное разрешение по дальности.
Наиболее близким аналогом-прототипом по назначению и технической сущности к предложенной полезной модели является многофункциональный радиовизор, известный из патента RU 2139522 С2 опуб. 1999-10-10, МПК G01S 13/95, который предназначен для получения голографического изображения на основе измерения параметров, электромагнитного и теплового излучения объекта в частном диапазоне с высокой степенью чувствительности. Устройство содержит: передающий канал, включающий генератор, усилитель и излучающую антенну, приемный канал, включающий смеситель, переключатель, усилитель низкой частоты (НЧ), квадратичный детектор и приемную антенну, приемный и передающий каналы соединены с ЭВМ., приемные каналы и дополнительную антенну, передающий канал содержит генератор подсветки, выход которого соединен с излучающей антенной, а к входам подключены контроллер, блок синхронизации по сверхвысокой частоте (СВЧ) и задающий генератор, вход контроллера соединен с ЭВМ, а выходы подключены к входу задающего генератора, блоку синхронизации по СВЧ, гетеродину и шине управления по НЧ соответственно, выходы блока синхронизации по СВЧ соединены с другим входом задающего генератора и входом усилителя соответственно, другой выход задающего генератора подключен к последовательно соединенным гетеродину, усилителю и многоканальному делителю мощности, каждый приемный канал содержит переключатель, соединенный с приемной антенной, источником шумового сигнала и вторым входом смесителя, первый вход которого соединен с многоканальным делителем мощности передающего канала, первую цепочку, состоящую из последовательно соединенных усилителя промежуточной частоты, квадратичного детектора и первого синхронного детектора, вторую цепочку, состоящую из последовательно соединенных усилителя по НЧ и второго синхронного детектора, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), входы которого подключены через первую и вторую цепочки к выходу смесителя, а выход подключен к ЭВМ, блок синхронизации по НЧ, выходы которого соединены с переключателем, входом первого и входом второго синхронных детекторов соответственно, а вход через шины управления по НЧ соединен с контроллером передающего канала, причем приемные антенны выполнены как моноблок, расположенный в фокусе дополнительной антенны.
Недостатками радиовизора является недостаточное разрешение по дальности и сложность конструкции, реализующей фокусировку излучения с использованием дополнительной зеркальной антенны.
Известно сверхширокополосное (СШП) излучение, обладающее высоким продольным пространственным разрешением, что важно для обнаружения скрытых объектов за диэлектрическими препятствиями. СШП излучение обеспечивает достаточное проникновение за препятствия, что обеспечивает возможность обнаружения объектов путем построения томограммы интересующей области пространства. При разработке алгоритмов построения томограммы, следует обеспечить их устойчивость к шумам и помехам, которые вносят отрицательное влияние на принятый сигнал, а также обеспечить быстродействие и простоту реализации алгоритма формирования и обработки сигналов.
Соответственно, необходимо разработать 3D георадиотомограф - устройство радиолокационного подповерхностного радиоволнового зондирования СШП сигналами в диапазоне 0.5-8 ГГц, не имеющего указанных недостатков. Предложенный 3D георадиотомограф позволяет обеспечить обнаружение объектов, путем построения трехмерной томограммы интересующей области пространства, с высоким пространственным разрешением и быстродействием, а также обеспечить возможность применения модульной антенной решетки, реализующей фокусировку на основе синтезирования большой апертуры, упростить техническую часть и снизить стоимость устройства. Таким образом, предложенная полезная модель позволяет устранить недостатки предшествующего уровня техники.
Сущность полезной модели
Указанный технический результат достигается тем, что предложен 3D георадиотомограф (устройство радиоволнового подповерхностного 3D-зондирования), отличающийся тем, что содержит генератор сверхширокополосного (СШП) сигнала в режиме линейно-частотной модуляции (ЛЧМ), соединенный первым и вторым выходом соответственно с входом усилителя сигнала и первым входом смесителя, при этом выход усилителя сигнала соединен с входом блока электронных переключателей, который первым входом-выходом соединен с антенной решеткой, где антенная решетка формирует сигнал линейной поляризации, ее модули каскадно-объединены в линейку, а выход блока электронных переключателей соединен со вторым входом смесителя, выход которого соединен с входом квадратурного фазового детектора для регистрации сигнала, рассеянного от обнаруженных объектов и неоднородностей, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера, который выполнен с возможностью выдавать синхроимпульсы для генерации сверхширокополосного ЛЧМ сигнала, сигналы переключения каналов, осуществлять оцифровку и первичную обработку принятого сигнала, при этом вход-выход микроконтроллера соединен с входом-выходом управляющего устройства для постобработки сигналов и формирования трехмерной томограммы (радиоизображения) исследуемого пространства, где первый вход микроконтроллера соединен с выходом блока навигации, а первый выход микроконтроллера соединен с входом генератора СШП сигнала в режиме ЛЧМ, а второй выход микроконтроллера соединен с входом блока коммутации каналов антенной решетки для переключения приемных и передающих антенн в режиме тактирования, который своим входом-выходом подключен к второму входу-выходу блока электронных переключателей.
Предпочтительным вариантом осуществления полезной модели является выполнение устройства, в котором антенная решетка излучает и принимает сигнал линейной поляризации, а модули антенной решетки каскадно объединены в линейку. Каждый модуль состоит из 4-х приемных и 4-х передающих антенн для диапазона 0.5-2 ГГц и 8-ми приемных и 8-ми передающих антенн для диапазона 2-8 ГГц.
Предпочтительным вариантом осуществления полезной модели является выполнение устройства, в котором блок навигации реализован как оптический квадратурный энкодер с модулем кинематики в реальном времени (RTK) приемника системы глобального позиционирования (GPS).
Предпочтительным вариантом осуществления полезной модели является выполнение устройства, в котором микроконтроллер и управляющее устройство обеспечивают фокусировку зарегистрированных СШП сигналов. Фокусировка осуществляется путем последовательного суммирования принятых сигналов с выравниванием временных задержек импульсов, рассеянных точкой с заданными координатами, причем в принятый сигнал вносятся задержки, соответствующие суммарному времени прохождения сигнала от передатчика до объекта и обратно от объекта до приемника, амплитуды сигналов, соответствующие рассчитанным задержкам складываются, и полученный результат является точкой томограммы (радиоизображения) с соответствующими координатами. Проведя операцию фокусировки для каждой точки выбранного объема пространства, строится его трехмерная томограмма (радиоизображение).
Предпочтительным вариантом осуществления полезной модели является выполнение устройства, в котором микроконтроллер осуществляет первичную обработку принятого сигнала, используя алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Таким образом, все отличительные от прототипа признаки предложенного устройства направлены на получение указанного технического результата.
Проведенный анализ уровня техники и прототипа позволяет определить, что предложенное техническое решение, характеризующееся описанной совокупностью существенных признаков является новым, а возможность его использования в промышленности определяет его как промышленно применимым.
Эти и другие аспекты предложенного устройства станут очевидными и будут объяснены ссылками на чертеж и вариантами реализации, описанными в дальнейшем.
Перечень фигур
На фиг. 1 показана общая блок-схема предложенного устройства 3D георадиотомографа.
Осуществление полезной модели
Задача по сканированию сплошных сред требует обеспечения высокого пространственного разрешения устройства в поперечном и продольном направлениях. Разрешающая способность устройства зависит от размера апертуры антенны, расстояния до объекта обнаружения, центральной частоты и полосы частот сигнала. Пространственное разрешение устройства в поперечном направлении определяется шириной диаграммы направленности приемо-передающей антенны по уровню половинной мощности, т.е. чем уже ширина главного лепестка в диаграмме, тем выше разрешение. Ширина диаграммы направленности обратно пропорциональна размерам излучающей апертуры, т.е. размеру антенны. Общий принцип функционирования предложенного устройства объемного подповерхностного зондирования заключается в том, что для реализации высокого разрешения ЛЧМ устройства в поперечном направлении используется антенная решетка с распределенными приемными и передающими СШП антеннами, которая осуществляет зондирование среды с разных ракурсов. При этом для обнаружения и локализации неоднородностей используется метод математической фокусировки и технология радара с синтезированием апертуры. Для этого все зарегистрированные антенной решеткой СШП сигналы суммируются в фазе для каждой задаваемой точки фокусировки с коррекцией существующего запаздывания. Таким образом, фокусировка осуществляется путем последовательного суммирования принятых сигналов с выравниванием временных задержек импульсов, рассеянных точкой с заданными координатами. В принятый сигнал вносятся задержки, соответствующие суммарному времени прохождения сигнала от передатчика до объекта и обратно от объекта до приемника. После чего амплитуды сигналов, соответствующие рассчитанным задержкам складываются. Полученный результат является точкой радиоизображения с соответствующими координатами. Проведя операцию фокусировки для каждой точки выбранного объема пространства, строится трехмерное радиоизображение. Операция фокусировки проводится в частотной области с применением быстрых алгоритмов обработки, что позволяет реализовывать трехмерные томограммы исследуемого пространства в режиме реального времени.
Работа устройства осуществляется следующим образом. По команде с программы управления устройством либо при начале движения (в зависимости от выбранного режима работы) запускается генерация СШП сигналов ЛЧМ генератором и регистрация рассеянного СШП сигнала приемником. Наведенные в приемной СШП антенне импульсы напряжения через смеситель подаются на вход квадратурного фазового детектора (приемника). Оцифрованный с помощью микроконтроллера сигнал с квадратурного фазового детектора поступает в управляющее устройство (ноутбук, планшет, смартфон), где он в последующем обрабатывается. Коммутация каналов антенной решетки осуществляется блоком управления, построенным на основе многоканальных электронных СШП коммутаторов. Полученные данные передаются на управляющее устройство, где производится обработка сигналов и формирование трехмерной томограммы исследуемой среды.
Данный подход был использован для ЛЧМ томографа с синтезированной апертурой, где как вариант, оценка дальности проводится не по отраженному ЛЧМ сигналу, а по радиоизображению, полученному методом синтезирования апертуры с фокусировкой. Другим отличием является привлечение корреляционного подхода для уточнения дальностного портрета зондируемого объекта. Так известно, что частота принятого ЛЧМ сигнала пропорциональна дальности до объекта и в спектре ЛЧМ сигнала содержится информация о форме объекта. Если провести корреляционную обработку дальностных профилей с некоторым опорным профилем, то, оценив положение максимумов корреляционных функций, можно построить форму поверхности всего исследуемого объекта. В качестве опорного профиля предлагается выбирать профиль с максимальной интенсивностью из полученного радиоизображения.
Так фиг. 1 схематично иллюстрирует общую блок-схему предложенного устройства 3D георадиотомографа. Генератор 1 обеспечивает линейно частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал с перестройкой 0,5-2 ГГц и 2-8 ГГц в режиме линейно-частотной модуляции, с частотой перестройки до 10 кГц. Усилитель 2 обеспечивает усиление ЛЧМ сигнала на выходе до 100 мВт. Смеситель 3 обеспечивает выделение принятого сигнала на промежуточной частоте (ПЧ) для регистрации низкочастотными АЦП. Электронные переключатели 4 обеспечивают коммутацию приемных и передающих элементов антенной решетки с частотой до 20 КГц. Квадратурный фазовый детектор (приемник) 6 обеспечивает прием C и S компонент сигнала, по которым рассчитывается амплитуда и фаза сигнала. Антенная решетка 5, в которой один антенной модуль содержит 4/8 приемных и 4/8 передающих антенн с линейной поляризацией. Блок коммутации каналов решетки 7 обеспечивает переключение приемных и передающих антенн в режиме тактирования. Режим тактирования сверхширокополосной (СШП) антенной решетки, заключающегося во всевозможной комбинации пар приемной и передающей СШП антенн из всех модулей антенной решетки. Принцип тактирования антенных решеток, обеспечивает последовательный электронный перебор пар активных передающих и приемных антенн и позволяет ускорить снятие необходимых для дистанционной томографии локационных проекций исследуемой сцены неоднородностей при сохранении взаимного влияния антенных элементов на заданном минимально допустимом уровне. В результате реализуется эквивалентная решетка той же апертуры, состоящая из N приемопередающих антенн. Микроконтроллер 8 выдает синхроимпульсы для генерации ЛЧМ, переключения каналов по заданной программе, оцифровку принятого сигнала, первичную обработку ЛЧМ сигнала, используя алгоритмы БПФ. Управляющее устройство 9, которое включает исполняемую компьютерную программу для постобработки сигналов и формирования трехмерной томограммы исследуемого пространства, например, с помощью алгоритмов на основе простанствено-согласованной фильтрации. Программное обеспечение позволяет получать трехмерные растровые изображения исследуемого пространства с возможностью представления трехмерных изображений послойно в виде набора изображений, полученных при различных сечениях зондируемого объема вдоль выбранного направления, также возможна трехмерная визуализация неоднородностей. Исходя из анализа визуализированного изображения, оператор имеет точную картину объектов и может сделать вывод о наличии и расположении объектов (размер, форму, глубину расположения) и неоднородностей внутри сплошных сред. Блок навигации 10 обеспечивает позиционирование данных по треку пройденного пути для их привязки в процессе постобработки сигналов управляющим устройством 9. Блок навигации 10 может быть выполнен как оптический квадратурный энкодер, который преобразует линейное или угловое перемещение в последовательность сигналов, позволяющих определить величину перемещения с учетом сигналов позиционирования принятых модулем кинематики в реальном времени (RTK) приемника системы глобального позиционирования (GPS).
Полезная модель может быть использована в различных областях, в частности, для поиска и локализация различных дефектов в деревянных, кирпичных, железобетонных строительных конструкциях; обнаружение арматуры, скрытой проводки, инженерных коммуникаций; уточнение инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадок строительства. Определение толщин и структуры конструктивных слоев дорог, железнодорожной насыпи, определение геометрии кровли естественного основания и балластной призмы. Картирование подземных коммуникаций, выявление разуплотненных и обводненных участков. Изучение особенностей армирования бетонных плит покрытия, изучение инженерно-геологических условий участков, подверженных деформациям, определения местоположения подземных коммуникаций трубопроводов, кабелей, коллекторов и др., поиск археологических объектов захоронения, определение культурного слоя, досмотр людей с целью предотвращения провоза и хранения оружия, взрывчатых веществ и других запрещенных предметов, поиск криминальных захоронений, взрывных устройств, людей под лавинами или завалами при ликвидации последствий землетрясений.
Технические характеристики 3D георадиотомографа: частотный диапазон 0.5-2 ГГц; 2-8 ГГц, мощность излучения на выходе приемопередатчика до 100 мВт, Количество приемопередающих модулей 8- 16-24-32, тип антенны синтезированная апертурная решетка, допустимый уровень отклонения всех характеристик не более 5%, точность определения глубины ±10 мм на диапазоне глубин 200 мм, максимальная глубина зондирования до 3 м, возможность непрерывного зондирования на скорости до 90 км/ч, разрешение сканирования вдоль антенной линейки 10 см; 3 см.
Полезная модель может быть осуществлена посредством аппаратных средств, содержащих несколько отличных элементов или посредством запрограммированного процессора/компьютера/планшета и др. Перечисленные средства или несколько из этих средств, например, микроконтроллер и управляющее устройство могут быть воплощены одним и тем же элементом аппаратных или программных средств, преимущественно в виде запрограммированного процессора или микросхемы и могут быть объединены в единое конструктивное устройство.
Вышеупомянутые варианты осуществления полезной модели не являются исчерпывающими и приведены только с целью пояснения и подтверждения возможности ее промышленной применимости. Специалисты в данной области техники способны создавать альтернативные варианты ее осуществления без отрыва от объема приложенной формулы, но в пределах сущности полезной модели, отраженной в описании.