Способ радиолокационного зондирования "метарадар" и устройство для его осуществления

Изобретение относится к геофизическим методам разведки и может быть использовано при подповерхностной радиолокации. Заявлены способ и устройство радиолокационного зондирования. Согласно заявленному способу возбуждают синусоидальный сигнал или последовательность противофазных импульсов с определенной задержкой, принимают возбужденный сигнал двумя антеннами с расстоянием между ними, равным произведению полупериода возбужденного сигнала или задержке между импульсами на скорость электромагнитной волны. Вычитают из одного принимаемого сигнала другой. Разностный сигнал подвергается масштабно-временному преобразованию и предварительной обработке. Устройство включает блок дифференциального локатора, содержащий передатчик, приемники, согласующее устройство и канал обработки и регистрации. Выходы приемников поданы в противофазе на входы согласующего устройства. Приемные антенны размещены симметрично по отношению к передающей. Технический результат: повышение эффективности исследований. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокационной электроразведки с применением импульсных источников возбуждения зондирующих сигналов и может быть использовано для геологических, инженерно-строительных, гидрогеологических и археологических изысканий, а также для поиска пластиковых мин и обнаружения людей в снежных селевых лавинах и разрушенных строениях.

Известен способ обнаружения неоднородностей в массиве горных пород, основанный на излучении - приеме сигналов с помощью антенн, расположенных по разные стороны рабочего органа, ведущего горные работы, при этом сначала против первой точки массива излучают и принимают сигнал первой антенной, после смещения вместе с рабочим органом напротив этой же точки излучают и принимают сигнал второй антенной (заявка РФ на изобретение N 93016043/25, кл. G 01 V 1/00, 29.03.93). Этот способ позволяет определить скорость сигнала, а значит, и выявить неоднородности в вырабатываемом слое, но он не обладает в сравнении с распространенными способами подповерхностного зондирования ни повышенной чувствительностью, ни помехозащищенностью, ни повышенной глубинностью, которые требуются для определения мелких, слабо дифференцированных по электрическим характеристикам неоднородностей, таких, например, как пластиковые мины. Не пригоден он и для изысканий, требующих, как правило, оперативности и минимальных затрат.

Известны способ и устройство для определения положения границы раздела материалов с различными диэлектрическими свойствами, в частности, в скважине в нефтеносной свите, основанный на излучении двумя антеннами сигналов, сдвинутых по фазе на 180° и принимаемых приемными антеннами, расположенными между передающими антеннами симметрично и параллельно им (заявка Франции N 2613842, кл. 4 G 01 V 3/30, Е 21 B 47/04, 14.10.88).

Способ используется для определения мощности нефтяного слоя на водоносном горизонте в скважине. Излучение двух сигналов в противофазе позволяет приемным антеннам в случае однородной среды фиксировать слабый суммарный сигнал. При появлении вблизи одной из передающих антенн границы раздела пород, отличающихся по диэлектрическим свойствам, принимаемый сигнал резко возрастает, причем по его форме можно судить о близости границы раздела к определенной передающей антенне. Однако, хотя и имея несколько расширенный рабочий динамический диапазон из-за снижения величины суммарного прямого сигнала, поступающего на приемную антенну, симметрично расположенную по отношению к передающим, способ не обладает сколько-нибудь повышенной помехозащищенностью. Кроме того, способ не пригоден для работы в гигагерцовом диапазоне, так как одновременное возбуждение излучения с высокой степенью точности в обеих антеннах (десятки пикосекунд) сопряжено со значительными техническими трудностями.

Наиболее близким по технической сущности является способ и устройство "Дифференциальный радар" радиолокационного зондирования (патент RU N2148842, кл. G 01 V 3/12, 10.05.2000).

Этот способ осуществляется за счет того, что приемные антенны размещают симметрично относительно передающей антенны по обе стороны и на известном расстоянии от нее так, чтобы все антенны находились в плоскости, ортогональной поверхности зондирования, а из сигнала, принимаемого одной антенной, вычитают сигнал, принимаемый другой антенной, и полученную разность подают в канал обработки и регистрации.

Этот способ позволяет достичь большей глубинности и разрешающей способности метода за счет увеличения динамического диапазона из-за снижения помех, синфазно поступающих на приемные антенны, а также снижение величины в разностном канале принимаемого прямого излучаемого сигнала, распространяемого по воздуху, что расширяет верхнюю границу динамического диапазона устройства.

Разностный сигнал в нормальном, не искаженном неоднородностями поле стремится к нулю, и усиление тракта разностного сигнала, а значит, и чувствительность, могут быть значительно увеличены в сравнении с усилением тракта, принимающего зондирующий сигнал без перегрузки. Из этого следует, что градиенты разностного сигнала могут быть значительно выше, чем эхо-сигнала, и точность установления местоположения локальной неоднородности по разностному сигналу возрастает, тем более, что центр неоднородности фиксируется весьма устойчивой характеристикой - переходом кривой через ноль.

В значительной мере расширяет диапазон и повышает чувствительность метода эффективное подавление помех как "дальней зоны" (атмосферики, антропогенные помехи), так и некоторых видов помех "ближней зоны", например помех тактирования или помех "пролезания" зондирующего сигнала по цепям приемника. Все помехи, одновременно и равно воздействующие на оба приемника, весьма значительно подавляются в разностном сигнале, позволяя повысить его динамический диапазон и информативность. Причем чем совершеннее идентичность приемных трактов при размещении антенн приемников симметрично передающей, тем выше подавление одинаково воздействующих на приемные тракты помех, в том числе и прямого, излучаемого передающей антенной зондирующего сигнала, тем шире динамический диапазон, тем чувствительнее способ к любым подповерхностным неоднородностям. При приближении дифференциального локатора (блока приемно-передающих антенн) к неоднородности отраженный от нее сигнал воздействует на приемные антенны не одинаково в силу разного расстояния между неоднородностью и приемными антеннами, появляется отличный от нуля разностный сигнал, который может быть значительно усилен, т.е. стать контрастнее в силу того, что аддитивная помеха в разностном канале значительно ниже. Кроме того, наличие двух приемных антенн, симметричных передающей, позволяет осуществить "стереовидение", то есть получить объемное изображение.

Размещение антенн в плоскости, ортогональной поверхности зондирования (причем приемные антенны расположены по обе стороны от передающей, а только так их и можно разместить исходя из требования симметрии приемных антенн передающей), и получение одномоментного разностного сигнала эквивалентны методу вычитания полей, так как для дальней от поверхности зондирования приемной антенны эхо-сигнал приходит с некоторым отставанием, то есть с меньшей глубины. Получается как бы послойное зондирование, причем ширина слоя определится как произведение эффективной скорости электромагнитной волны в исследуемой среде и времени отставания, определяемом как частное от деления расстояния между приемными антеннами на скорость электромагнитной волны в воздухе.

Задачи, подобные поиску пластиковых мин, определения параметров разреза, особенно при инженерно-геологических исследованиях, увеличения глубинности метода и разрешающей способности требуют высокой эффективности съемки. А это, в свою очередь, требует кроме повышения частоты зондирующего сигнала увеличения его направленности и расширения динамического диапазона устройства, так как с ростом частоты зондирующего сигнала сильно возрастает затухание высокочастотного радиосигнала в грунте. Кроме того, появляется требование различения материала локальной неоднородности, например установления, является ли отражающая неоднородность камнем, корневищем дерева, пластиком или металлом. Кроме того, важно точно измерить коэффициент отражения, т.е. иметь возможность определять диэлектрическую проницаемость разреза, т.к. это позволит точнее определять скорость в пластах и более точно устанавливать глубины залегания отражающих поверхностей. И это, в свою очередь, означает необходимость повышения метрической точности измерения поля, высокого уровня подавления помех, высокой точности локализации аномалии. Метод вычитания полей отвечает именно этим требованиям. И его применение переводит метод подповерхностного зондирования (по отношению к информативности материалов интерпретации зондирования) из качественного в метод количественный, что означает в том числе, что по профилю зондирования можно будет получить глубинный разрез диэлектрической проницаемости.

Однако успешное использование метода вычитания полей основывается на точном определении разностного сигнала.

К недостаткам способа следует отнести тот факт, что разностный сигнал по мощности значительно меньше принимаемого антеннами отраженного сигнала, и его экстремумы (т.е. точки перегиба сигнала) также много меньше по амплитуде принимаемого любой из антенн сигнала. Введение усиления в канал разностного сигнала не изменит соотношение "сигнал-помеха". И хотя помехи в разностном канале значительно уменьшаются, информативный разностный сигнал также уменьшается в сравнении с эхо-сигналом, принимаемым антеннами (хоть и в меньшей степени, чем помехи). Это снижает качество интерпретации и, в конечном итоге, эффективность исследований.

Предлагаемый способ избавлен от недостатков прототипа, в полной мере сохраняя преимущества его в сравнении с известными за счет того, что передающую антенну возбуждают последовательностью разнополярных импульсов с одинаковой задержкой или синусоидальным сигналом, а отраженный сигнал принимают логоспиральными антеннами, которые располагают симметрично передающей логоспиральной антенне так, что центры всех антенн совпадают с направлением зондирования, и на расстоянии друг от друга, определяемом произведением задержки между импульсами или длительности полупериода и скорости электромагнитной волны.

Подавление помех более эффективно, чем для прототипа, но разностный сигнал при этом вдвое больше по амплитуде, чем принимаемый антенной, и во много раз больше, чем сигнал прототипа.

Известно устройство по заявке Франции №2613842 (кл. 4 G 01 V 3/30, Е 21 В 47/04; 14.10.88), содержащее два синхронных передатчика, излучающих высокочастотные электромагнитные импульсы в противофазе, и приемник, выход которого подключен к каналу обработки и регистрации. Антенны передатчиков расположены симметрично относительно антенны приемника и в одной с ней плоскости, параллельной поверхности исследования. При работе устройства в однородной среде принимаемый суммарный от обеих передающих антенн сигнал близок нулю, что несколько расширяет верхнюю границу динамического диапазона устройства. При появлении на профиле исследования (стенке скважины) неоднородности баланс разностного излучаемого сигнала резко нарушается и приемный сигнал становится аномально различимым. Однако устройство не позволяет получить снижение нижней границы динамического диапазона, определяемой уровнем помех, и поэтому чувствительность устройства посредственная.

Известное устройство (патент RU №2148842, кл. 6 G 01 V 3/12; 10.05.2000) является наиболее близким по технической сущности. Это устройство содержит одну передающую, две приемные вибраторные антенны и канал обработки и регистрации с подключением одной приемной антенны к каналу обработки и регистрации через фазоинвертор и сумматор, а второй - через сумматор, что значительно раздвигает границы динамического диапазона за счет уменьшения в канале обработки суммарного прямого принимаемого антеннами излучаемого сигнала и снижения уровня синфазных помех. В силу симметричности расположения антенн является несущественным, какая именно из приемных антенн подключена напрямую к каналу обработки, так как наличие разностного сигнала позволяет восстановить первоначальный сигнал другой антенны. Кроме того, расположение антенн позволяет значительно обострить максимум характеристики направленности.

Приемные антенны размещены симметрично относительно передающей антенны, параллельно передающей антенне и на известном расстоянии от нее, определяемом требованием увеличения максимума характеристики направленности, причем центры всех антенн расположены в плоскости, ортогональной поверхности зондирования. Как вариант, приемные антенны размещаются симметрично относительно передающей антенны, параллельно передающей антенне, в одной плоскости с передающей антенной, ортогональной поверхности исследования, и на известном расстоянии от передающей антенны, позволяющем использовать все антенны для обострения характеристики направленности локатора.

Однако несмотря на высокое помехоподавление и улучшение характеристики направленности разностный сигнал такого устройства во много раз ниже сигнала антенны. Поэтому значительное расширение динамического диапазона устройства за счет высокого помехоподавления не используется в полной мере, и это не позволяет достичь высокой эффективности съемки.

Кроме того, расстояния между антеннами локатора и длинами их вибраторов определяются требованием создания рефлектно-директорной антенной системы, т.е. каждая из антенн локатора должна являться для другой антенны либо директором, либо рефлектором. Это значит, что все антенны имеют несколько отличные друг от друга длины вибраторов, то есть являются не идентичными по отношению к принимаемому сигналу, в том числе и шумовому, что снижает качество помехоподавления. Ясно, что при перемещении во время зондирования по профилю все параметры этого тонконастроенного локатора будут меняться в зависимости от изменения электрических параметров поверхности зондирования, находящейся в ближней зоне локатора. Это также затруднит получение точной измерительной процедуры.

Некоторую задержку вносит в один из приемных каналов фазоинвертор, что также снижает идентичность каналов и качество помехоподавления.

Предлагаемое устройство лишено указанных недостатков и обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики за счет того, что в устройство, содержащее одну передающую и две приемные антенны, введено согласующее устройство, причем все антенны являются логоспиральными, и приемные антенны подключены параллельно и в противофазе к согласующему устройству, а выход согласующего устройства подан на вход канала обработки и регистрации, что вдвое увеличивает амплитуду принимаемого полезного разностного сигнала в сравнении с первичным, принимаемым антенной, эффективно подавляя все сигналы, отличающиеся по спектральным характеристикам от полезного, и сигналы помех, распространяющихся ортогонально направлению зондирования.

Приемные антенны размещены симметрично относительно передающей антенны, параллельно передающей антенне и на известном расстоянии друг от друга, определяемом параметрами зондирующего сигнала, причем центры всех антенн находятся на плоскости, совпадающей с направлением зондирования.

Сущность изобретения отражена на чертежах, где на фиг.1 представлены временные графики сигнала, поступающего на приемные антенны и на вход согласующего устройства, на фиг.2 изображена блок-схема устройства.

Сущность предлагаемого метода пояснена на фиг.1.

На графике 1 представлен отраженный сигнал, принятый ближней к поверхности зондирования антенной (БА). На графике 2 - дальней от поверхности зондирования антенной (ДА). На графике 3 - разностный сигнал антенн на входе согласующего устройства.

Разностный сигнал 3 по предлагаемому способу "МетаРАДАР" представляет собой первый импульс, принимаемый ближней к поверхности зондирования антенной, сумму второго импульса БА и первого импульса принимаемого отраженного сигнала дальней от поверхности зондирования антенной, сумму третьего импульса БА и второго импульса ДА и т.д., вплоть до последнего импульса ДА. При этом амплитуда разностного сигнала удваивается в сравнении с принимаемым сигналом любой из антенн. Удваивается и значение экстремумов в (n-1) импульсах разностного сигнала, где n - количество возбуждаемых в передающей антенне импульсов. Это улучшает соотношение "сигнал-помеха" и позволяет более надежно выделять полезный разностный сигнал на фоне помех.

Эти рассуждения справедливы и для случая возбуждения антенны более высокочастотными (более короткими) импульсами. А это означает возможность с большей оперативностью проводить исследования на разные глубины и с различным разрешением, т.е. в процессе съемки одного профиля без изменения электромеханических параметров антенн.

Блок локатора радара на фиг.2 представляет собой передающую антенну 4, приемные антенны 5 и 6, согласующее устройство 7 и канал обработки и регистрации 8. Все антенны являются логоспиральными. Приемные антенны в противофазе подключены ко входу согласующего устройства 7, выход которого подан на вход канала обработки и регистрации.

Приемные антенны 5, 6 расположены параллельно передающей антенне 4, по обе стороны и на равном расстоянии от нее так, что центры всех антенн лежат на прямой, совпадающей с направлением зондирования. Симметричность расположения приемных антенн относительно передающей и идентичность их трактов обеспечивают практически полное подавление излучаемого сигнала в тракте разностного сигнала (на входе согласующего устройства 7). Это определяет верхнюю границу динамического диапазона максимальным усилением тракта, не искажающим отраженный сигнал. Нижняя граница динамического диапазона определяется уровнем помех в тракте разностного сигнала.

Устройство работает следующим образом. При излучении передающей антенной зондирующего сигнала он по воздуху распространяется на приемные антенны. Так как приемные антенны имеют противоположное передающей антенне направление циркуляции, прямой (распространяемый по воздуху) зондирующийся сигнал практически не воспримется приемными антеннами. Учитывая симметричность расположения приемных антенн передающей, идентичность приемных антенн, а также включенность их в противофазе друг другу, прямой сигнал на входе согласующего устройства будет тем более близок к нулю.

Далее, зондирующий сигнал распространяется до поверхности зондирования (дневной поверхности земли), частично проникает под поверхность, а частично отражается от поверхности, причем отражается зеркально, т.е. меняет направление циркулярной поляризации на противоположное, и потому воспринимается приемными антеннами, имеющими противоположное передающей антенне направление циркулярной поляризации. Проникнув под дневную поверхность и встретив отражающую поверхность (границу между материалом, веществом, породой, отличными по электрическим параметрам, - диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости и электрической проводимости), зондирующий сигнал снова частично отразится, частично проникнет через отражающую поверхность (границу) и т.д. Отраженные сигналы также воспринимаются приемными антеннами. До тех пор, пока принимаемые сигналы по интенсивности равны в каждый момент времени, а приемные тракты идентичны по усилению, задержке, динамическому и частотному диапазону, на выходе приемных антенн будут два одинаковых сигнала, сдвинутых по времени на величину, определяемую частным от деления расстояния между приемными антеннами на скорость электромагнитной волны в воздухе. Но так как антенны включены в противофазе, то сигналы, сдвинутые по времени на постоянную величину, вычитаются. А учитывая, что первоначальный сигнал состоит из n полупериодов или n фазоинверсных импульсов, сдвинутых на время, в точности соответствующее времени задержки принимаемого антеннами сигнала, образованный на выходе блока антенн результирующий сигнал будет состоять из n+1 импульсов или полупериодов, n-1 импульсов или полупериодов которых являются удвоенными по амплитуде в соответствии с графиком суммарного сигнала 3 на фиг.1.

Таким образом, максимальная амплитуда результирующего сигнала не только не много меньше, чем максимальная амплитуда первичного принимаемого антенной сигнала, как это наблюдается в прототипе, но является вдвое больше максимальной амплитуды отраженного принимаемого антенной сигнала в предлагаемом способе. При этом помехи ослабляются также много сильнее, чем в случае прототипа, так как антенны являются избирательными к зеркально отраженному зондирующему сигналу.

Антенны - сложный агрегат, и их работа основана не столько на теории, сколько на общих физических представлениях и эксперименте. Поляризацию всякого сигнала можно теоретически разложить на две составляющие - либо на две взаимно перпендикулярные линейные поляризации, либо на две противоположного вращения циркулярные составляющие. Оба представления эквиваленты, но предпочтительнее то, которое соответствует поляризационным дискриминациям приемной антенны. Помехи, в основном, неполяризованы, то есть содержат равную смесь обеих базовых циркулярных поляризаций. Логоспиральная антенна будет выбирать свою поляризацию и отсеивать другую. Поэтому от помехи в двух приемных параллельных антеннах сигнал будет одинаков, какова бы ни была их поляризованность. Т.е. либо потому, что антенны поляризованы одинаково, либо хотя и противоположной поляризации, но в помехе поровну каждой поляризации.

Введение циркулярной поляризации в трехантенную систему допускает больше возможностей для зондирования. По крайней мере, могут быть использованы для разных задач две схемы, когда приемные антенны имеют противоположную приемной антенне направленность поляризации и одинаковую.

Схема А - поляризация приемных антенн противоположна передающей, то есть имеются две идентичные приемные антенны - верхняя и нижняя. Между ними находится передающая антенна с противоположной поляризацией. И, допустим, она излучает один период частоты, а расстояние между приемными антеннами равно произведению длительности полупериода (нсек) на скорость электромагнитной волны (см/нсек). Тогда при зеркальном отражении от горизонтальных пластов обе антенны сработают лучшим образом и при вычитании сигналов второй полупериод сигнала нижней антенны сложится с первым полупериодом верхней. Интересно, что благодаря поляризации прямой сигнал от передающей антенны будет сильно ослаблен в приемных антеннах еще до вычитания, а уж тем более после, а все шумы и воздушные отражения зондирующего сигнала, приходящие почти одновременно на обе антенны, значительно уменьшатся - вычтутся друг из друга (за исключением тепловых шумов, вклад в шум которых увеличится в 2^1/2). Приниматься будут только сигналы, приходящие на антенны по направлению, совпадающему с линией, соединяющей центры антенн, а также те, которые имеют противоположную циркуляцию зондирующему сигналу, т.е. зеркально отраженные от горизонтальных неоднородностей (пластов). Введение поляризации по такой схеме увеличит остронаправленность антенн по направлению вертикали к поверхности зондирования в сравнении с дипольными антеннами.

Схема Б - поляризация приемных антенн одинакова с передающей.

Такую схему можно использовать для случая поиска локальных неоднородностей, отражения от которых не несут заметной зеркальной составляющей поляризации до величин сечения отражения, меньших длины волны зондирующего сигнала. Тогда картина не будет отягощена отражениями от горизонтальных границ, и будут более полно использоваться отражения от локальных неоднородностей.

В силу идентичности приемных антенн в тракте разностного сигнала подавляются все помехи, распространяющиеся ортогонально направлению зондирования. Так же эффективно подавляются все помехи, приходящие на приемные антенны синфазно. Кроме того, подавляются все помехи иной циркуляции, чем циркуляция приемных антенн. Это важно, так как значительный вклад шумов составляет зондирующий сигнал, отраженный от "наземных целей", - близлежащих деревьев, стен домов, электрических линий, столбов, опор и т.д.

Помехи, оказывающие влияние на результаты подповерхностного радиозондирования, можно разделить на три группы - собственные (аппаратурные), естественные и антропогенные или индустриальные.

Аппаратурные помехи - это помехи "пролезания" зондирующего сигнала в измерительный тракт, помехи тактирования и тепловые шумы входных цепей. Все эти помехи, кроме помехи тепловых шумов, успешно подавляются как аппаратным путем, так и методическим. Вклад же помехи тепловых шумов незначителен в сравнении с остальными помехами.

Естественные помехи связаны с местными и тропическими грозами, естественным импульсным электромагнитным излучением и возмущениями, связанными с широкими атмосферными ливнями - размножением космических высокоэнергетичных частиц в атмосфере Земли. Борьба с этими помехами достаточно эффективна с помощью частотной фильтрации, но фильтрация вносит существенные нелинейные искажения в аналоговую информацию.

Индустриальные помехи связаны в основном с искрообразованием, дугообразованием и другими видами электрических разрядов. Основными источниками индустриальных радиопомех являются электротранспорт (наземный городской и железнодорожный), двигатели внутреннего сгорания, промышленные, научные, бытовые и медицинские высокочастотные установки, сварочные аппараты, светильники с люминисцентными лампами, газосветные рекламы, высоковольтные линии электропередач, работа радио-, и телепередатчиков, мобильная и сотовая связь. Помехи высокочастотному приему, связанные с побочными и внеполосными излучениями радиопередатчиков, проявляются на расстояниях до нескольких километров от источника помех. Такие помехи занимают широкий спектр частот. Устранить или ослабить их методами частотной селекции практически невозможно. Довольно эффективным средством снижения уровня индустриальных помех является применение остронаправленных антенн с возможно меньшим уровнем задних и боковых лепестков диаграммы направленности. Но это противоречит требованиям сверхширокополосности, предъявляемым к аппаратуре радиозондирования. Серьезной помехой, значительно искажающей картину отраженного сигнала, являются отражения собственного зондирующего сигнала от наземных "целей" - домов, отдельно стоящих деревьев, столбов, линий электропередач и пр. Надежным средством борьбы с такими помехами является тщательное экранирование передающей антенны от верхнего полупространства. Но экран усиливает влияние на антенну ближней зоны - зондируемого полупространства, и изменение диэлектрической постоянной и электропроводности поверхности земли значительно искажает характеристики зондирующего сигнала.

Борьба с помехами в методе подповерхностного радиозондирования (GPR) является определяющей для расширения области его применения. В геофизике существует всего два метода, представляющих полную волновую картину исследований. Это - GPR и сейсморазведка. Но сейсморазведка меньше подвержена воздействию помех и поэтому математический аппарат обработки ее данных значительно развит. Этот метод давно стал методом количественных измерений и позволяет получать разрез акустических жесткостей в точке сейсмозондирования или по профилю сейсмоисследования. Метод GPR получил развитие более 60-ти лет назад, но до сих пор представляет только качественную картину исследования, которая характеризует строение разреза, не устанавливая его физических параметров, не определяя точно глубину залегания отражающих границ. Возможный аппаратурный диапазон GPR составляет 120 дБ (от единиц мкВ - тепловые шумы современных входных полупроводниковых схем до единиц Вольт). Практически половину этого диапазона составляют помехи. Так, в Риге (Латвия) интегральный уровень помех на входе дипольной полувибраторной 65-ти мегагерцевой антенны GPR-радара составил 600-800 мкВ в разное время суток. В Объединенных Арабских Эмиратах уровень помех составил уже 1000-1500 мкВ. Это можно объяснить близостью зоны тропических гроз и большей энергонасыщенностью района. Так или иначе, но рабочий диапазон GPR-радара фактически составляет всего 60 дБ. А для того чтобы надежно установить с точностью 1% коэффициент отражения эхо-сигнала от границы раздела двух сред, который определяется соотношением диэлектрических постоянных этих сред, и значит установить с процентной точностью глубину залегания этой границы, необходим диапазон в 100 дБ. Поэтому либо необходимо повышать зондирующий сигнал по мощности на 80 дБ, что недопустимо с точки зрения эргономики и экологии, либо эффективно снижать влияние помех.

Универсальным эффективным средством борьбы с помехами является предлагаемый способ радиозондирования "МетаРАДАР".

Для подповерхностного зондирования (GPR-радара) обычно выбирается сверхширокополосный сигнал в форме одного периода СВЧ колебания. Такой выбор обусловлен следующим простым соображением: затухание в грунте пропорционально корню из частоты несущей, а разрешение по глубине определяется длительностью посылки. Следовательно, при заданном разрешении по глубине необходимо максимально понизить частоту несущей. Минимум частоты несущей - колебание за излучаемый импульс. Именно такие сигналы и используются обычно в системах подповерхностного зондирования GPR. Это так называемые сигналы без несущей. Требования к излучаемому-принимаемому СШП-сигналу являются определяющими при выборе типа антенны локатора.

Антенна должна быть сверхширокополосной и частотно-независимой.

- Сверхширокополосность означает, что антенна должна эффективно работать в диапазоне частот не менее трех октав.

- Частотно-независимость означает, что в рабочем интервале частот такие характеристики как

волновое сопротивление антенны и КСВН,

диаграмма направленности антенны,

положение фазового центра антенны,

сдвиги фаз излучаемого импульса относительно возбуждения

должны быть постоянны.

Известны несколько типов СШП-антенн, причем некоторые из них обладают плоской геометрией. Все СШП-антенны (за исключением, пожалуй, гребенчатого рупора) строятся на трех основных принципах - это принцип равенства углов, принцип взаимодополнительности, найденны Рамзеем (Ramsey V.H. 1957 IRE Nat. Con. Rec 1, 1957, 114) (См. также: Сверхширокополосные антенны. Под ред. Л.С.Бененсона, М., "Мир" 1964) и Дайсоном (Dyson J.D. IRE Trans., АР-7, 1959, 181), и принцип логарифмической периодичности. Антенны, построенные с использованием этих принципов, обладают наибольшей широкополосностью и частотной независимостью.

Суть принципа равенства углов заключается в том, что геометрия частотно-независимой СШП-антенны не должна зависеть от размерного параметра и, таким образом, должна определяться только углами.

Второй принцип заключается в том, что волновое сопротивление антенны, совпадающей по конфигурации с антенной, дополняющей ее до сплошного проводящего экрана, не зависит от частоты.

Третий принцип заключается в том, чтобы параметры антенны повторялись с изменением частоты как логарифм последней.

Простейший (и наиболее давно известный) тип антенны, определяемой углами - бесконечный биконус (и его плоская разновидность - щелевая биконическая антенна). К такому типу принадлежит, например, широко распространенная антенна Huber+Suhner. Однако реальная антенна имеет конечный размер - длину, и на длинах волн, близких к ширине раскрыва антенны, ее характеристики значительно меняются. Кроме того, известно, что плоская биконическая антенна обладает наименьшей широкополосностью и частотно-независимостью в сравнении с плоскими логоспиральными и логопериодическими антеннами. Наиболее сверхширокополосной частотно-независимой антенной является логарифмическая спираль, изобретенная Рамзеем (См. ссылку выше). Многочисленные эксперименты показали, что в полосе частот с перекрытием 1:10 и даже 1:20, параметры антенны (входное сопротивление, диаграмма направленности) практически не изменяются. При этом антенна плоская и легко может быть выполнена с использованием техники изготовления печатных плат. Правда, антенна является слабонаправленной, но это свойство всех плоских СШП-антенн. Заметно большей направленностью обладают антенны с гребенчатым рупором и конические логоспиральные антенны в режиме излучения. Тем не менее, следует заметить, что диаграмма направленности логоспиральной антенны имеет осевую симметрию, и при ширине лепестка диаграммы направленности (ДН) 70-80° такая антенна выигрывает в коэффициенте усиления относительно дипольной (биконической) антенны порядка 3-5 дБ.

Еще одно достоинство спиральной антенны заключается в том, что она взаимодействует с циркулярно поляризованной волной только определенной поляризации. Например, излучает и принимает электромагнитную волну (ЭМВ) только левой поляризации. При зеркальном отражении от плоской границы раздела двух сред поляризация отраженной волны обратна поляризации падающей волны. А антенна к ЭМВ такой поляризации нечувствительна. Таким образом, существует принципиальная возможность подавить нежелательные отражения от плоских однородных слоев и выделять только локальные неоднородности в горизонтальной плоскости. И наоборот, изменив поляризацию передающей и приемных антенн на противоположную, можно очистить картину отражений горизонтально-слоистой среды от локальных объектов.

Плоская логоспиральная антенна имеет одинаковую площадь и контуры проводящей и непроводящей поверхностей.

При равной ширине проводящей и непроводящей полос получаем взаимодополнительную структуру. В соответствии с уравнением Буккера находим, что входное сопротивление такой антенны Z₀/2=189 Ом и не зависит от частоты.

Поле всякой антенны в дальней зоне является производной входного тока (и, соответственно, напряжения возбуждения для согласованной антенны). Однако в результате при излучении короткого СШП-сигнала возникают дополнительные фазовые сдвиги фурье-компонент излученного импульса, связанные с тем, что различные фурье-компоненты импульса излучаются различными частями эффективной дифракционной решетки. В результате в фурье-компонентах излученного сигнала возникают дополнительные фазовые сдвиги, пропорциональные частоте. Этот недостаток присущ в той или иной степени практически всем СШП-антеннам.

Фазовый центр логоспиральной антенны так же зависит от частоты. Он лежит на оси антенны со стороны, обратной направлению излучения. Его положение определяется выражением

δ=аλ/2π

где λ - длина волны, а - степенной коэффициент в уравнениях кривых, ограничивающих проводящий контур логоспиральной антенны. В данном случае а=0.2 и видно, что несовпадением фазового центра различных фурье-гармоник можно пренебречь.

Были изготовлены и обмерены три типа логоспиральных антенн и биконическая антенна фирмы HUBER+SUHNER. Последние были обмерены как с директорным экраном, так и без него.

По результатам измерений значений коэффициента передачи для пары логоспиральных антенн и для пары антенн HUBER+SUHNER без директорного экрана было установлено, что в диапазоне от 600 до 3600 МГц логоспиральные антенны имеют усиление примерно на 10 дБ большее, чем антенны HUBER+SUHNER.

Были проведены измерения парных функций передачи и КСВН для двух логоспиральных антенн и для пары антенн фирмы HUBER+SUHNER с директорными пластинами.

Необходимо подчеркнуть, что для предлагаемого способа "МетаРАДАР" нет необходимости в экранировании антенн от излучения-приема в верхнее полупространство, так как наземные отражения практически не влияют на картину зондирования в силу их эффективного подавления, из-за их преимущественного распространения по направлению, близкому к ортогональному направлению зондирования. Такое снижение требований к экранированию приводит к уменьшению влияния меняющихся характеристик поверхности зондирования на характеристики зондирующего, а значит, и отраженного сигналов.

Результаты макетных испытаний подтвердили расчетные параметры аппаратуры.

1. Способ радиолокационного зондирования, основанный на возбуждении зондирующих и приеме отраженных радиолокационных сигналов с взаимно симметричным и параллельным расположением приемных и передающей антенн так, что центры всех антенн находятся на прямой, совпадающей с направлением зондирования, а приемные антенны размещены по обе стороны передающей, и из сигнала, принимаемого одной антенной, вычитается сигнал, принимаемый другой антенной, и передаче полученной разности в канал обработки и регистрации, отличающийся тем, что передающую антенну возбуждают синусоидальным сигналом или последовательностью разнополярных импульсов с одинаковой задержкой между ними и принимают отраженный сигнал антеннами, которые располагают друг от друга на расстоянии, определяемом произведением длительности полупериода синусоидального сигнала или задержки между импульсами и скорости электромагнитной волны.

2. Устройство радиолокационного зондирования, содержащее идентичные передающие и приемные антенны и канал обработки и регистрации, причем выходы приемных антенн подключены к каналу обработки и регистрации через фазоинвертор и сумматор, отличающееся тем, что в него введено согласующее устройство, причем выходы приемных антенн подсоединены к согласующему устройству параллельно и в противофазе, а выход согласующего устройства подан на вход канала обработки и регистрации.