Радиоинтроскоп

 

Изобретение относится к технике СВЧ измерений и может использоваться для обнаружения неоднородностей в различных твердых средах. Сущность изобретения: радиоинтроскоп содержит СВЧ генератор, первый электронный ключ, направленный ответвитель, циркулятор, второй электронный ключ, приемный блок, блок управления, блок обработки и индикации, а также электрически управляемый аттенюатор, блок формирования управляющих импульсов и антенный блок. Блок формирования управляющих импульсов состоит из последовательно соединенных генератора управляющих напряжений, формирователя импульсов и первой управляемой линии задержки, второй управляемой линии задержки, регистра режима и дешифратора. Антенный блок, выполненный в виде двумерной коммутируемой антенной решетки, состоит из двух субрешеток - пассивной и активной. В пассивной субрешетке излучатели расположены по периметру двумерной коммутируемой активной решетки и соединены соответственно с согласованными нагрузками. Активная субрешетка содержит группу излучателей, расположенных внутри кольца, образованного излучателями первой субрешетки, при этом каждый из излучателей соединен с соответствующим двухканальным коммутатором, один канал которого подсоединен к соответствующей дополнительной согласованной нагрузке, а другой - к одному из выходов многоканального коммутатора. Угол между направлениями векторов поляризации любой пары соседних излучателей, расположенных в строках второй субрешетки, составляет 90^o. Угол между направлениями векторов поляризации любой пары соседних излучателей, расположенных в столбцах второй субрешетки, составляет между собой угол 45^o, а излучателей, расположенных в одном столбце через строку - 90^o, угол между направлениями векторов поляризации любого излучателя первой субрешетки и соседнего с ним излучателя второй субрешетки составляет 45^o. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ измерений и может использоваться для обнаружения неоднородностей в различных твердых средах, определения их расположения и геометрических форм, например, для обнаружения скрытых проводок и определения наличия металлических предметов в стенах, для определения дефектов в строительных конструкциях в виде трещин или пустот.

Известен радиоинтроскоп для контроля качества диэлектрических материалов, содержащий СВЧ генератор, подключенный через первый коммутатор к многоканальной передающей антенне, многоканальную приемную антенну, подсоединенную через второй коммутатор к приемнику, выход которого соединен с блоком индикации, и синхронизатор, выходы которого подсоединены к управляющим выходам первого и второго коммутаторов и второму входу индикатора (авт. свид. СССР N 419812, кл. G 01 R 27/26, 1971 г.).

Недостатками известного устройства является низкая разрешающая способность, невозможность измерения глубины залегания и размеров неоднородностей.

Известно также СВЧ устройство для обнаружения предметов, находящихся в стенах, выбранное в качестве прототипа (Microwave detection of objects in walls. Botros A. Z. Olver A.D. Сuthert L.G. Farmer G. "Еlectron. Lett.", 1984, 20. N 9, 379-380), содержащее СВЧ генератор, работающий в режиме линейной частотной модуляции (ЛЧМ), подсоединенный через электрически управляемый аттенюатор к первому плечу циркулятора, ко второму плечу которого подключена антенна, выполненная в виде рупорного облучателя и параболического отражателя, фокусирующего энергию на определенный участок стены.

При работе с ЛЧМ непрерывным излучением отраженный сигнал, поступающий на вход рупорного облучателя, содержит как полезный, так и помеховый сигналы, например, сигналы от границ раздела, от естественного фона и т. д. что приводит к уменьшению отношения Рcигнала/Ршума. Для увеличения этого отношения требуется работа с высокими уровнями мощности, что делает его небезопасным для работы обслуживающего персонала. Выполнение антенной системы в виде рупорного облучателя не позволяет получить малый размер пятна облучения, что приводит к ухудшению разрешающей способности. Устройство также не позволяет однозначно идентифицировать форму и характер неоднородности.

Технической задачей данного изобретения является создание радиоинтроскопа, обеспечивающего обнаружение неоднородностей в различных твердых средах с высокой достоверностью, высокой разрешающей способностью и точностью, а затем определение их габаритных размеров и места расположения, а также уменьшение рабочей мощности без потери информативности.

Поставленная задача решается тем, что в радиоинтроскоп, содержащий СВЧ генератор, направленный ответвитель, выход основного канала которого соединен с первым плечом циркулятора, антенный блок, подсоединенный к второму плечу циркулятора, последовательно соединенные приемный блок, блок управления и блок обработки и индикации, а также электрически управляемый аттенюатор, управляющий вход которого соединен c первым выходом блока управления, введены первый электронный ключ, включенный между выходом СВЧ генератора и входом основного плеча направленного ответвителя, второй электронный ключ, включенный между выходом третьего плеча циркулятора и входом приемного блока, и блок формирования управляющих импульсов, вход которого соединен с вторым выходом у блока управления, а первый, второй, третий и четвертый выходы подсоединены соответственно к управляющим входам СВЧ генератора, первого электронного ключа, второго электронного ключа и антенного блока, который выполнен в виде по крайней мере одной двумерной коммутируемой антенной решетки, при этом электрически управляемый аттенюатор включен между выходом вспомогательного канала направленного ответвителя и гетеродинным входом приемного блока.

Блок формирования управляющих импульсов предпочтительно выполнить в виде последовательно соединенных генератора управляющих напряжений, выход которого является первым выходом блока формирования управляющих импульсов, и первой управляемой линии задержки, выход которой является вторым выходом блока формирования управляющих импульсов, второй управляемой линии задержки, вход которой соединен со вторым выходом формирователя импульсов, а выход является третьим выходом блока формирования управляющих импульсов, последовательно соединенных регистра режима и дешифратора, выход которого является четвертым выходом блока формирования управляющих импульсов, при этом вход регистра режима является входом блока формирования управляющих импульсов, а первый, второй и третий выходы подсоединены соответственно к управляющим входам генератора управляющих напряжений и первой и второй управляемых линий задержки.

Двумерную коммутируемую антенную решетку предпочтительно выполнить состоящей из пассивной субрешетки излучателей и активной субрешетки излучателей, в которых излучатели пассивной субрешетки нагружены соответственно на согласованные нагрузки и вокруг излучателей активной субрешетки, при этом каждый излучатель активной субрешетки соединен с первым плечом соответствующего двухканального переключателя, ко второму плечу которого подсоединена соответствующая дополнительная согласованная нагрузка, а третье плечо подключено к одному из выходов многоканального коммутатора, причем управляющий вход многоканального коммутатора и управляющие входы двухканальных коммутаторов объединены и являются управляющим входом двумерной коммутируемой антенной решетки.

Введение в устройство первого электронного ключа совместно с блоком формирования управляющих импульсов обеспечивает формирование последовательности линейно-частотно-модулированных импульсов, скважность которых определяется временем прохождения сигнала излучения от антенного блока до дальней зоны облучения. Путем уменьшения скважности излучаемых импульсов можно уменьшить влияние отраженных сигналов дальней зоны до приемлемого уровня, что позволяет уменьшить погрешность при определении контура исследуемого объекта и повысить помехозащищенность за счет уменьшения влияния производственных помех. Снижение уровня собственных помех позволяет уменьшить рабочие мощности СВЧ излучения, т. е. повысить безопасность работы обслуживающего персонала.

Использование второго электронного ключа, управляемого с помощью блока формирования управляющих импульсов, позволяет путем изменения фазы управляющего импульса подать на смеситель приемного блока сигнал, отраженный только от определенного участка исследуемого объекта, а за счет регулировки длительности сигнала обрабатывать сигнал, отраженный только от определенного по протяженности участка исследуемого объекта.

Изменение длительности управляющего импульса дает возможность уменьшить динамический диапазон изменения отраженного сигнала и тем самым повысить разрешающую способность радиоинтроскопа в определении геометрических размеров и расположения неоднородностей в исследуемом объекте.

Использование двумерной коммутируемой антенной решетки, излучатели которой согласно изобретению выполнены с разными ориентациями плоскостей поляризации, позволяет получить дополнительную информацию о внутреннем строении исследуемого объекта и тем самым повысить разрешающую способность, помехоустойчивость устройства за счет уменьшения влияния металлических неоднородностей на яркостную картину сигнала отражения.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема радиоинтроскопа; на фиг.2 структурная электрическая схема блока формирования управляющих импульсов; на фиг. 3 структурная электрическая схема двумерной коммутируемой антенной решетки; на фиг.4 диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства; на фиг. 5 схема направлений векторов поляризации излучателей двумерной коммутируемой антенной решетки.

Радиоинтроскоп (фиг.1) содержит последовательно соединенные СВЧ генератор 1, первый электронный ключ 2, направленный ответвитель 3, циркулятор 4, второй электронный ключ 5, приемный блок 6, блок 7 управления, блок 8 обработки и индикации, а также электрически управляемый аттенюатор 9, блок формирования управляющих импульсов (БФУИ) 10 и антенный блок 11. В качестве блока 8 может использоваться персональная электронно-вычислительная машина.

БФУИ 10 (фиг.2) состоит из последовательно соединенных генератора управляющих напряжений (ГУН) 12, формирователя импульсов 13 и первой управляемой линии задержки (УЛЗ) 14, второй управляемой линии задержки (УЛЗ) 15, регистра режима 16 и дешифратора 17.

Антенный блок 11, выполненный в виде двумерной коммутируемой антенной решетки (ДКАР), например, гексагональной, как показано на фиг.3, состоит из двух субрешеток 18, 19 пассивной и активной. В пассивной субрешетке 18 излучатели 20, например, полосковые, расположены по периметру ДКАР и соединены соответственно с согласованными нагрузками 21, причем вектор поляризации каждого из излучателей 20 ориентирован под углом в пределах 0^o- 180^o к соответствующей стороне периметра ДКАР.

Активная субрешетка 19 содержит группу излучателей 22, расположенных внутри кольца, образованного излучателями 20 первой субрешетки 18, при этом каждый из излучателей 22 соединен с соответствующим двухканальным коммутатором 23, один канал которого подсоединен к соответствующей дополнительной согласованной нагрузке 24, а другой к одному из выходов многоканального коммутатора 25.

При этом угол между направлениями векторов поляризации любой пары соседних излучателей 22, расположенных в строках второй субрешетки 19, составляет 90^o. Угол между направлениями векторов поляризации любой пары соседних излучателей 22, расположенных в столбцах второй субрешетки 19, составляет между собой угол 45^o, а излучателей 22, расположенных в одном столбце через строку 90^o, угол между направлениями векторов поляризации любого излучателя 22 первой субрешетки 18 и соседнего с ним излучателя второй субрешетки 19 составляет 45^o.

Коммутаторы могут выполняться на основе полупроводниковых диодов. Все блоки устройства могут быть реализованы на основе известной элементной базы.

Радиоинтроскоп работает следующим образом.

Управляющий сигнал с выхода блока 7 управления и обработки запускает БФУИ 10. Этот же сигнал определяет режим его работы и параметры вырабатываемых выходных сигналов. С первого выхода БФУИ 10 на управляющий вход СВЧ генератора 1 подаются управляющие импульсы напряжения фиг. 4а. Закон изменения импульса в течение времени t_l определяется характеристиками СВЧ генератора 1 и выбирается исходя из того, что в течение этого времени частота генерируемых колебаний СВЧ генератора 1 определяется по линейному закону и имеет вид фиг. 4б. До момента времени t₁ частота генерируемых СВЧ генератора 1 колебаний неизменна и определяется диапазоном, выбранным для текущего режима работы радиоинтроскопа. С момента времени t₁ до момента t₂ выходная частота СВЧ генератора 1 изменяется по линейному закону, с линейным коэффициентом К, определяемым режимом работы радиоинтроскопа. В интервале времени t₂- t₃ частота выходных колебаний СВЧ генератора 1 возвращается к исходной частоте по произвольному закону изменения во времени.

C выхода СВЧ генератора 1 сигнал поступает на вход первого электронного ключа 2, на управляющий вход которого подаются импульсы со второго выхода БФУИ 10 (фиг. 4в). Под действием этих импульсов на выходе первого электронного ключа 2 формируются линейно-частотно модулированные (ЛЧМ) радиоимпульсы (фиг. 4г).

ЛЧМ импульс с выхода первого электронного ключа 2 поступает на вход основного канала направленного ответвителя 3. С выхода этого канала ЛЧМ импульс поступает на вход основного канала направленного ответвителя 3. С выхода этого канала ЛЧМ импульс поступает на первое плечо циркулятора 4, который обеспечивает развязку между сигналами передающей и приемной цепей радиоинтроскопа. Сигнал со второго плеча циркулятора 4 поступает на вход многоканального коммутатора 25 в антенном блоке 11 и далее на один из активных излучателей 22 второй субрешетки 19, при этом остальные излучатели субрешетки 19 нагружены соответственно через двухканальные коммутаторы 23 на согласованные нагрузки 24.

Состояние многоканального коммутатора 25 и двухканальных коммутаторов 23 определяется управляющими сигналами, поступающими с четвертого выхода БФУИ 10.

Излученный активным излучателем 22 СВЧ ЛЧМ импульс отражается от дефектов исследуемого объекта и принимается этим же активным излучателем. Влияние рассеянного отраженного от дефекта сигнала и многократных переотражений от границ раздела исследуемого объекта на активный излучатель 22 от соседних излучателей антенной решетки устраняется за счет того, что активные излучатели 22 субрешетки 19 размещены внутри пассивной субрешетки 11, а алгоритм поочередного коммутирования активных излучателей 22 обеспечивает для любого активного излучателя окружение пассивными излучателями 20, нагруженными на согласованные нагрузки 21 и 24 соответственно. Поочередное коммутирование активных излучателей 22 позволяет зондировать один и тот же объем исследуемого объекта волной с различной плоскостью поляризации излучаемого и соответственно принимаемого ЛЧМ импульса, что позволяет учесть характер влияния внутренней структуры исследуемого объекта на зондирующий сигнал, что в свою очередь позволяет повысить разрешающую способность и достоверность определения формы, размеров и характера неоднородностей. Количество активных излучателей 20 второй субрешетки и направление плоскостей их поляризации выбираются из требуемой разрешающей способности и размеров исследуемых дефектов.

Для исследования протяженных объектов антенный блок перемещают вдоль этого объекта механически путем. Механическое сканирование может быть заменено электрическим, путем выполнения антенного блока в виде набора двумерных коммутируемых антенных решеток, число которых определяется продольными и поперечными размерами исследуемого объекта.

Принятый отраженный сигнал (фиг. 4е) с выхода антенного блока 11 поступает на второе плечо циркулятора 4 и с его третьего плеча на вход второго электронного ключа 5, который управляется импульсами с третьего выхода БФУИ 10. (фиг.4). Эти импульсы имеют задержку τ_зад.п, определяемую временем задержки ЛЧМ импульса в трактах радиоинтроскопа, а также временем, необходимым для отсечения сигнала, отраженного ближней зоной облучения исследуемого объекта. Электронное управление временем задержки τ_зад.п позволяет определить начало ближней зоны облучения.

Длительность импульсов τ_к2 (фиг. 4д) определяется режимом абота БФУИ 10 и влияет на длительности формируемого отраженного сигнала (фиг.4е) с выхода ключа 5 и определяет глубину прохождения облучающего сигнала до неоднородности в исследуемом объекте.

C выхода ключа 5 сформированный сигнал подается на вход приемного блока 6, на гетеродинный вход которого поступает опорный сигнал с выхода электрически управляемого аттенюатора 9. Коэффициент передачи аттенюатора 9 определяется управляющим сигналом, подаваемым с выхода БФУИ 10.

Преобразованный в приемном блоке 6 отраженный сигнал поступает на вход блока управления 7, а затем блок обработки и индификации 8, в которых он подвергается аналого-цифровому преобразованию и обработке по алгоритму быстрого преобразования Фурье для получения спектральных составляющих, а также преобразованию спектральной картины для получения на экране индикатора масштабного двумерного изображения дефектов исследуемого объекта.

Формула изобретения

1. Радиоинтроскоп, содержащий СВЧ-генератор, направленный ответвитель, выход основного канала которого соединен с первым плечом циркулятора, антенный блок, подсоединенный ко второму плечу циркулятора, последовательно соединенные приемный блок, блок управления и блок обработки и индикации, а также электрически управляемый аттенюатор, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, отличающийся тем, что введены первый электронный ключ, включенный между выходом СВЧ-генератора и входом основного канала направленного ответвителя, второй электронный ключ, включенный между выходом третьего плеча циркулятора и входом приемного блока, и блок формирования управляющих импульсов, вход которого соединен с вторым выходом блока управления, а первый, второй, третий и четвертый выходы подсоединены соответственно к управляющим входам СВЧ-генератора, первого и второго электронных ключей и антенного блока, который выполнен в виде по крайней мере одной двухмерной коммутируемой антенной решетки с различными ориентациями векторов поляризации, при этом электрически управляемый аттенюатор включен между выходом вспомогательного канала направленного ответвителя и гетеродинным входом приемного блока.

2. Радиоинтроскоп по п.1, отличающийся тем, что блок формирования управляющих импульсов (ВФУИ) выполнен в виде последовательно соединенных генератора управляющих напряжений, формирователя импульсов, выход которого является первым выходом ВФУИ, и первой управляемой линии задержки, выход которой является вторым выходом ВФУИ, а также второй управляемой линии задержки, вход которой соединен с вторым выходом формирователя импульсов, а выход является третьим выходом ВФУИ, и последовательно соединенных регистра режима и дешифратора, выход которого является четвертым выходом ВФУИ, при этом первый, второй и третий выходы регистра режима подсоединены соответственно к управляющим входам генератора управляющих напряжений и первой и второй управляемых линий задержки, а вход регистра режима является входом ВФУИ.

3. Двухмерная коммутируемая антенная решетка состоит из пассивной и активной субрешетки излучателей, излучатели пассивной субрешетки нагружены соответственно на согласованные нагрузки и расположены по периметру двухмерной коммутируемой антенной решетки и вокруг излучателей активной субрешетки, при этом каждый излучатель активной субрешетки соединен с первым плечом соответствующего двухканального переключателя, к второму плечу которого подсоединена соответствующая дополнительная согласованная нагрузка, а третье плечо подключено к одному из выходов многоканального коммутатора, причем управляющий вход многоканального коммутатора и управляющие входы двухканальных коммутаторов объединены и являются управляющим входом двухмерной коммутируемой антенной решетки, а угол между направлениями векторов поляризации любой пары соседних излучателей активной субрешетки, расположенных в одной строке двухмерной коммутируемой антенной решетки, составляет 90^o, угол между направлениями векторов поляризации любой пары соседних излучателей активной субрешетки, расположенных в одном столбце, составляет 45, излучателей, расположенных в одном столбце через строку, 90^o, а угол между направлениями векторов поляризации любого излучателя пассивной субрешетки и соседним с ним излучателем активной субрешетки составляет 45^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5