Геофизический радиолокатор

 

Изобретение относится к геофизике, в частности, к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты, и может быть использовано при разведке полезных ископаемых, а также для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей в исследуемом подповерхностном слое земной поверхности. Геофизический радиолокатор содержит блок обработки и управления, интерфейс, передатчик, передающую антенну, первый смеситель стробоскопического преобразователя, первый формирователь строба, приемную антенну, приемник, второй формирователь строба, второй смеситель стробоскопического преобразователя, первую линию задержки, триггер, ключ, звуковой индикатор, жидкокристаллический индикатор, вторую линию задержки, блок вычитания, интегратор, блок деления, блок формирования эталонного напряжения и блок сравнения. Технический результат: повышение надежности обнаружения и идентификации подповерхностных объектов на различной глубине залегания за счет исключения вариаций электромагнитного поля. 1 ил.

Радиолокатор относится к геофизике, в частности к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты, и может быть использован при разведке полезных ископаемых, а также для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей в исследуемом подповерхностном слое земной поверхности.

Известны устройства для геоэлектроразведки (авт. свид. СССР 321783, 344391, 385251, 397877, 455307, 708277, 746370, 817640, 1078385, 1092453, 1100603, 1151900, 1247805, 1300396, 1317378, 1420574, 1469488, 1553933, 1594477, 1721566; патенты РФ 2044331, 2105330; Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. - М., 1971 и др.).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Геофизический радиолокатор" (патент РФ 2105330, G 01 V 3/12, 1996), который и выбран в качестве прототипа.

Принцип работы указанного геофизического радиолокатора основан на методе сверхширокополосного радиолокационного зондирования, при котором оценивается изменение нестационарного электромагнитного поля, образованного отраженными от подповерхностного объекта электромагнитными волнами после его облучения зондирующим радиосигналом, в качестве которого используется последовательность радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного). При этом разделение приемопередающих каналов по эфиру осуществляется с помощью двух антенн (передающей и приемной), которые образуют двухантенный блок. Формирование зондирующего сверхширокополосного радиосигнала осуществляется генератором 3 ударного возбуждения и передающей антенной 4.

На границе раздела грунт - объект, характеризующегося скачком относительной диэлектрической проницаемости и удельного затухания, формируется отраженный сигнал, возвращающийся к приемной антенне. Принимаемый сверхширокополосный сигнал с помощью стробоскопического приемника претерпевает масштабно-временное преобразование и переводится в цифровую форму, удобную для представления и обработки. Этот сигнал содержит информацию как о глубине расположения объекта, так и о его форме, материале и т.д. Выделение полезной информации осуществляется с помощью обработки в спецвычислителе и отображается на экране визуального индикатора в реальном масштабе времени.

Электромагнитная волна, отражающая от подповерхностного объекта, воздействует на приемную антенну 7. На эту же антенну воздействуют мешающие прямое излучение передатчика 3 и отраженный сигнал от границы раздела воздух - грунт.

Для исключения прямого излучения передатчика 3 и отражений от поверхности воздух - грунт и от слоев с различной глубиной залегания в известном радиолокаторе используется "стробирование по вертикали".

Однако надежные обнаружение и идентификация подповерхностных объектов на различной глубине залегания в ряде случаев затруднены из-за высокого уровня вариаций электромагнитного поля (квазистационарные и периодические составляющие поля, помехи естественного и искусственного происхождения).

Задачей изобретения является повышение надежности обнаружения и идентификации подповерхностных объектов на различной глубине залегания за счет исключения вариаций электромагнитного поля.

Поставленная задача решается тем, что геофизический радиолокатор, содержащий последовательно включенные спецвычислитель, интерфейс, передатчик, в качестве которого использован генератор ударного возбуждения и ко второму выходу которого подключена передающая антенна, первый смеситель стробоскопического преобразователя, второй вход которого через первый формирователь строба соединен со вторым выходом интерфейса, и триггер, последовательно включенные приемную антенну, второй смеситель стробоскопического преобразователя, второй вход которого через второй формирователь строба соединен с третьим выходом интерфейса, первую линию задержки, триггер, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго смесителя, и усилитель, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с четвертым выходом интерфейса, к пятому, шестому и седьмому выходам которого подключены спецвычислитель, звуковой и жидкокристаллический индикаторы соответственно, а ко второму входу - подсоединен аналого-цифровой преобразователь, введены вторая линия задержки, блок вычитания, интегратор, блок деления, блок формирования эталонного напряжения и блок сравнения, причем к выходу усилителя последовательно подключены вторая линия задержки, блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя, интегратор, блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, и блок сравнения, второй вход которого через блок формирования эталонного напряжения соединен с восьмым выходом интерфейса, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю.

Структурная схема геофизического радиолокатора представлена на чертеже.

Геофизический радиолокатор содержит блок обработки и управления 1, интерфейс 2, передатчик 3, передающую антенну 4, первый смеситель 5 стробоскопического преобразователя, первый формирователь строба 6, приемную антенну 7, приемник 8, второй формирователь строба 9, второй смеситель 10 стробоскопического преобразователя, первую линию задержки 11, триггер 12, ключ 13, цифроаналоговый преобразователь 14, усилитель 15, аналого-цифровой преобразователь 16, звуковой индикатор 17, жидкокристаллический индикатор 18, вторую линию задержки 19, блок 20 вычитания, индикатор 21, блок деления 22, блок 23 формирования эталонного напряжения и блока 24 сравнения. Причем к выходу блока обработки и управления 1 последовательно подключены интерфейс 2, передатчик 3 и передающая антенна 4. К опорному выходу передатчика 3 последовательно подключены смеситель 5, второй вход которого через формирователь строба 6 соединен с вторым выходом интерфейса 2, и триггер 12. К выходу приемной антенны 7 последовательно подключены смеситель 10 стробоскопического преобразователя, второй вход которого через формирователь строба 9 соединен с третьим выходом интерфейса 2, линия задержки 11, триггер 12, ключ 13, второй вход которого соединен с выходом смесителя 10, усилитель 15, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь 14 соединен с четвертым выходом интерфейса 2, линия задержки 19, блок вычитания 20, второй вход которого соединен с выходом усилителя 15, интегратор 21, блок деления 22, второй вход которого соединен с блоком вычитания 20, блок сравнения 24, второй вход которого через блок 23 формирования эталонного напряжения соединен с восьмым выходом интерфейса 2, аналого-цифровой преобразователь 16 и интерфейс 2, к пятому, шестому и седьмому выходам которого подключены спецвычислитель 1, звуковой 17 и жидкокристаллический 18 индикаторы соответственно.

Принцип работы геофизического радиолокатора основан на методе сверхширокополосного радиолокационного зондирования, при котором оценивается изменение нестационарного электромагнитного поля, образованного отраженными от подповерхностного объекта электромагнитными волнами после его облучения зондирующим радиосигналом, в качестве которого используется последовательность радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного). Формирование зондирующего сверхширокополосного радиосигнала осуществляется генератором 3 ударного возбуждения и передающей антенной 4.

На границе раздела грунт - объект, характеризующегося скачком относительной диэлектрической проницаемости и удельного затухания, формируется отраженный сигнал, возвращающийся к приемной антенне. Принимаемый сверхширокополосный сигнал с помощью стробоскопического приемника претерпевает масштабно-временное преобразование и переводится в цифровую форму, удобную для представления и обработки. Этот сигнал содержит информацию как о глубине расположения объекта, так и о его форме, материале и т.д. Выделение полезной информации осуществляется с помощью обработки в спецвычислителе и отображается на экране визуального индикатора в реальном масштабе времени.

Геофизический радиолокатор работает следующим образом.

Основным режимом работы радиолокатора является режим "Поиск". Этот режим устанавливается автоматически при включении прибора и используется при поиске и распознавании подповерхностных объектов.

При подаче на радиолокатор напряжений питания блок обработки и управления 1 инициирует установку исходных режимов всех узлов радиолокатора. По команде блока обработки и управления 1 генератор 3 ударного возбуждения формирует зондирующий импульсный сверхширокополосный сигнал в виде одного периода синусоиды амплитудой 25 В и длительностью 1 нс, излучаемый передающей антенной 4 в направлении поверхности Земли.

Обнаружение объектов в режиме "Поиск" осуществляется оператором путем перемещения перед собой вправо-влево антенного блока, укрепленного на штанге, и движением вперед в заданном направлении. При этом необходимо следить за тем, чтобы антенный блок перемещался параллельно обследуемой поверхности на фиксированном расстоянии (не более 5 см от нее). Скорость перемещения антенного блока выбирается в зависимости от условий поиска и должна быть в пределах 0,1-1,0 м/с. В процессе поиска необходимо чередовать поперечные и продольные перемещения антенного блока таким образом, чтобы после каждого взмаха справа налево или слева направо антенный блок перемещался вперед на расстояние до 20 см (на величину своего линейного размера). При этом необходимо следить за тем, чтобы был обследован весь проверяемый участок местности.

Электромагнитная волна, отражающаяся от подповерхностного объекта, воздействует на приемную антенну 7. На эту же антенну воздействуют мешающие прямое излучение передатчика 3 и отраженный сигнал от границы раздела воздух - грунт. Причем большие амплитуды будут иметь сигнал прямого прохождения и сигнал, отраженный от границы раздела воздух - грунт.

Часть энергии зондирующего сигнала с опорного выхода передатчика 3 поступает на первый смеситель 5 стробоскопического преобразователя, куда также подается короткий строб-импульс с формирователя строба 6. Сформированный в смесителе 5 импульс, представляющий собой мгновенное значение зондирующего периодического сигнала, поступает на установочный вход триггера 12. Триггер 12 переводится в первое (нулевое) состояние, при котором на его выходе формируется отрицательное напряжение.

Отраженный сигнал, содержащий информацию о границе раздела сред и о подповерхностном объекте, поступает с выхода приемной антенны 7 на второй смеситель 10 стробоскопического преобразователя, куда также подается короткий строб-импульс с формирователя строба 9. Сформированный в смесителе 10 импульс, представляющий собой мгновенное значение принятого периодического сигнала, через линию задержки 11 поступает на второй вход триггера 12. Последний переводится во второе (единичное) состояние, при котором на его выходе формируется положительное напряжение. Это напряжение поступает на управляющий вход ключа 13 и открывает его. В исходном состоянии ключ 13 всегда закрыт. Линия задержки 11 необходима для наиболее полного управления влиянием отражений от границы раздела сред на работу усилителя 15 и последующих каскадов. Линию задержки 11 можно выполнить переменной, что обеспечит устранение влияния прямого излучения передающей антенны 4 и сигналов, отраженных от границы раздела воздух - грунт и от слоев различной глубины залегания, т.е. осуществляется "стробирование по вертикали", которое обеспечивает последовательный просмотр подповерхностного пространства от границы раздела воздух - грунт до слоев различной глубины.

"Стробирование по горизонтали" позволяет на фоне вариаций электромагнитного поля, не связанных с электромагнитной волной, отражающейся от подповерхностного объекта, надежно выделять в подповерхностных слоях подповерхностные объекты. Для исключения влияния периодических и квазистационарных вариаций электромагнитного поля Земли осуществляют периодические измерение напряженности поля и операцию нормирования разностного сигнала двух последовательных измерений, т.е. интегрируют разностный сигнал, делят разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал. Операция сравнения нормированного сигнала с заданным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии подповерхностного объекта.

Для этого сформированный в смесителе 10 импульс, представляющий собой мгновенное значение принятого периодического сигнала, отраженного от подповерхностного объекта, или импульс, обусловленный вариациями электромагнитного поля, через открытый ключ 13 поступает после усиления в усилителе 15 на блок 20 вычисления непосредственно и через линию задержки 19. При этом в каждой точке наблюдения производится не менее двух последовательных измерений указанных импульсов. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого импульс, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 19 задержки до момента сравнения его с последующим импульсом в блоке 20 вычитания. Операции интегрирования разностного сигнала и деление разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производятся в блоках 21 и 22. В блоке 24 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемым блоком 23. При превышении порогового уровня сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 16, где он преобразуется в цифровую форму и поступает через интерфейс 2 в спецвычислитель 1. Цифро-аналоговый преобразователь 14 предназначен для преобразования информации, поступающей с блока 1 обработки и управления.

Частота формирования строб-импульсов отличается от стабильной частоты (100 кг) генератора, вследствие чего очередной строб-импульс смещается относительно периодического принимаемого сигнала, а последовательно сформированные таким образом мгновенные значения складываются в масштабно преобразованную во времени реализацию принимаемого сигнала. После аналого-цифрового преобразования данные через плату интерфейса 2 поступают в спецвычислитель 1, а затем на экран жидкокристаллического индикатора 18. Частота вертикальной (строчной) и горизонтальной (кадровой) разверток могут варьироваться в определенных пределах. На экране индикатора 18 в реальном масштабе времени наблюдается плоская яркостная картина подповерхностных целей.

Максимальная амплитуда принимаемого сигнала сравнивается с установленным пороговым значением, при превышении которого включается звуковой индикатор 17.

Появление звукового сигнала, визуального сигнала на экран требует остановки оператора и свидетельствует о том, что в зоне обнаружения антенного блока находится объект, природу происхождения которого следует установить, а при необходимости уточнить его местоположение и форму. Для анализа объекта следует выполнить сканирование объекта (перемещение антенного блока от границы обнаружения до границы потери) со скоростью, определяемой световой строкой на экране индикатора. Режим "Сканирование" и формирование вертикального среза грунта с объектом (режим "Срез") осуществляется переходом из режима "Поиска" нажатием кнопки "Скан". Через 20 с после обработки сигнала на экране индикатора появляется радиолокационный образ объекта, дающий представление о форме и размерах объекта. По желанию оператора контрастность изображения может меняться кнопками <", ">" в сторону увеличения или уменьшения.

Для идентификации обнаруженного объекта с имеющимися эталонами оператору необходимо обратиться к обучаемому алгоритму, при этом на экране индикатора при идентификации обнаруженного объекта с имеющимся в памяти эталоном высвечивается соответствующее имя (например, "объект 2"). В случае несоответствия выводится сообщение "объект не опознан".

Для определения материала обнаруженного объекта оператор нажатием кнопки "<" переходит к базовому алгоритму. Нажатием кнопки "Скан" запускается базовый алгоритм. На экране выводится сообщение о типе материала: "Металл", "Композит" или "Пластик".

Нажатие кнопки "Скан" и перемещение антенного блока над объектом дает возможность провести при необходимости повторное обследование объекта по критерию базового и обучаемого алгоритмов.

Идентификация обнаруженного объекта по обучаемому алгоритму, распознавание типа материала по базовому алгоритму, анализ оператором изображения и "среза" объекта позволяют оператору принять решение о дальнейших действиях относительно обнаруженного объекта и продолжения разведки.

Взаимодействия блока обработки и управления 1 с остальными узлами радиолокатора, а также организация управления работой осуществляется через схемы интерфейса 2.

Органы управления, коммутации и индикации вынесены на общую панель управления. Различные варианты использования дисплея в режиме поиска, а также работа прибора во вспомогательных режимах не изменяют сути описанных физических процессов, а определяются только программой работы блока обработки и управления 1.

Таким образом, предлагаемый радиолокатор позволяет путем исключения квазистационарной составляющей и периодических вариаций электромагнитного поля Земли достигнуть более высокой надежности обнаружения и идентификации подповерхностных объектов на различной глубине залегания.

Формула изобретения

Геофизический радиолокатор, содержащий последовательно включенные блок обработки и управления, интерфейс, передатчик, в качестве которого использован генератор ударного возбуждения и ко второму выходу которого подключена передающая антенна, первый смеситель стробоскопического преобразователя, второй вход которого через первый формирователь строба соединен с вторым выходом интерфейса, и триггер, последовательно включенные приемную антенну, второй смеситель стробоскопического преобразователя, второй вход которого через второй формирователь строба соединен с третьим выходом интерфейса, первую линию задержки, триггер, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго смесителя, и усилитель, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с четвертым выходом интерфейса, к пятому, шестому и седьмому выходам которого подключены блок обработки и управления, звуковой и жидкокристаллический индикаторы соответственно, а ко второму входу подсоединен аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что в него введены вторая линия задержки, блок вычитания, интегратор, блок деления, блок формирования эталонного напряжения и блок сравнения, причем к выходу усилителя последовательно подключены вторая линия задержки, блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя, интегратор, блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, и блок сравнения, второй вход которого через блок формирования эталонного напряжения соединен с восьмым выходом интерфейса, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю.

РИСУНКИ

Рисунок 1