Устройство определения глубины залегания подповерхностных объектов

Авторы патента:

G01V3/17 - с использованием электромагнитных волн

Владельцы патента RU 2547160:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (RU)

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации и может быть использовано для определения глубины залегания скрытых в грунте объектов, например инженерных коммуникаций. Сущность: настоящее устройство содержит основную (1) и дополнительную (7) антенны, передатчик, приемник, адаптер связи (22), блок (23) обработки информации, блок (24) управления и синхронизации. Передатчик содержит усилитель (2) мощности, направленный ответвитель (3), модулируемый каскад (4), модулятор (5), задающий генератор (6). Приемник содержит комплексированный с ним радиометрический приемник, малошумящий усилитель (8), переключатель (9), смеситель (10), полосовой фильтр (11), усилитель (12) частоты биений. При этом радиометрический приемник выполнен в виде трех параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр (13-15), квадратичный детектор (16-18) и фильтр низкой частоты (19-21). Технический результат: повышение точности определения глубины залегания скрытых в грунте объектов. 1 ил.

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам поиска, обнаружения и определения местоположения и формы подповерхностных целей.

В настоящее время известны устройства, используемые для зондирования, обнаружения и определения местоположения подповерхностных инженерных коммуникаций, в основном, являются короткоимпульсными.

Известен «Мобильный георадар для дистанционного поиска местоположения подземных магистральных коммуникаций и определения их поперечного размера и глубины залегания в грунте» (Патент России 2256941 C1, G01V 3/17 2004 г.).

Недостатком, присущим данному устройству, является ошибочное определение глубины залегания зондируемого объекта из-за неизвестности диэлектрической проницаемости грунта в момент зондирования, хотя в программном обеспечении данного устройства имеется база данных по электрофизическим характеристикам грунта. Но сезонная и суточная вариация значений характеристик грунта, а также изменение диэлектрической проницаемости грунта по глубине требуют знаний состояния грунта во время проведения полевых работ.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для обнаружения объектов, расположенных под землей (патент Японии 57-17273, G01S 13/34, G01V 3/12, 1975 г.). Устройство содержит передатчик и приемник, работающие на одну антенну, для развязки передатчика и приемника к антенне подключен циркулятор, вход циркулятора соединен с выходом передатчика, состоящего из модулируемого каскада, к входу которого подключены задающий генератор и модулятор, передатчик генерирует частотно-модулированные сигналы с пилообразным законом изменения частоты и с постоянной частотой повторения, выход циркулятора соединен с входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом модулируемого каскада, выход смесителя соединен с входом усилителя частоты биений, выход которого соединен с входом процессора обработки.

Недостатком известного устройства является низкая точность определения местоположения зондируемого объекта из-за неизвестности характера изменения диэлектрической проницаемости грунта с глубиной.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения глубины залегания в грунте при поиске инженерных коммуникаций (газопроводы, водопроводы, оптоволоконные и металлические кабели) и других скрытых объектов.

Технической задачей изобретения является получение динамики изменения диэлектрической проницаемости грунта в зондируемом участке для выбора подходящей методики расчета частоты биений, полученной из отраженного сигнала, которая является функцией глубины.

Это достигается тем, что известное устройство определения глубины залегания подповерхностных объектов, содержащее передатчик, приемник, блок обработки информации и антенну, при этом передатчик содержит задающий генератор, первый выход которого соединен с первым входом модулируемого каскада, модулятор, выход которого соединен с вторым входом модулируемого каскада, приемник содержит смеситель, усилитель частоты биений, снабжено дополнительной антенной, адаптером связи и блоком управления и синхронизации, передатчик снабжен усилителем мощности и направленным ответвителем, вход антенны соединен с выходом усилителя мощности, вход которого подключен к первому выходу направленного ответвителя, вход последнего соединен с выходом модулируемого каскада, второй выход направленного ответвителя подключен к второму входу смесителя, в приемник введены комплексированный с ним радиометрический приемник, малошумящий усилитель, переключатель, полосовой фильтр, при этом радиометрический приемник выполнен в виде трех параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратичный детектор и фильтр низкой частоты, выход дополнительной антенны соединен с входом малошумящего усилителя, выход которого подключен к первому входу переключателя, второй вход переключателя соединен с вторым выходом задающего генератора, первый выход переключателя подключен к смесителю, выход последнего соединен с входом полосового фильтра, выход которого соединен с входом усилителя частоты биений, второй выход переключателя подключен к входам полосовых фильтров цепочек, выход фильтра низкой частоты каждой цепочки подключен к соответствующему входу адаптера связи, выход усилителя частоты биений приемника и первый выход блока управления и синхронизации подключены к другим входам адаптера связи, выход адаптера связи подключен к входу блока обработки информации, при этом второй выход блока управления и синхронизации соединен с входом задающего генератора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена функциональная схема устройства определения глубины залегания подповерхностных объектов.

Устройство определения глубины залегания подповерхностных объектов содержит антенну 1, вход которой соединен с выходом усилителя мощности 2, вход которого соединен с первым выходом направленного ответвителя 3, вход последнего соединен с выходом модулируемого каскада 4, второй вход которого соединен с выходом модулятора 5. Первый вход модулируемого каскада 4 соединен с первым выходом задающего генератора 6. Выход дополнительной антенны 7 соединен с входом малошумящего усилителя 8, выход которого соединен с первым входом переключателя 9, первый выход переключателя 9 соединен с первым входом смесителя 10, выход которого соединен с входом полосового фильтра 11, выход последнего соединен с входом усилителя частоты биений 12, второй выход переключателя 9 соединен с входами цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных полосового фильтра 13, 14, 15, квадратичного детектора 16, 17, 18, фильтра нижних частоты 19, 20, 21, выход каждой цепочки соединен с соответствующим входом адаптера связи 22 (вх.1, вх.2 и вх.3). Выход усилителя частоты биений 12 и первый выход блока управления и синхронизации 24 подключены к соответствующим входам адаптера связи (вх.4 и вх.5). Выход адаптера связи соединен с входом блока обработки информации IBM-PC 23, при этом второй выход блока управления и синхронизации 24 подключен к входу задающего генератора 6. Полосовые фильтры цепочек настроены на разные диапазоны частот.

Устройство определения глубины залегания подповерхностных объектов работает следующим образом.

Задающий генератор 6, модулируемый каскад 4 и модулятор 5 формируют колебание с линейной частотной модуляцией, которое усиливается в усилителе мощности 2 и передается на антенну 1, с выхода которой зондирующая волна излучается в грунт. Электромагнитная волна, отражаясь от подповерхностного объекта или границ раздела грунта, воздействует на дополнительную приемную антенну 7 и усиливается в малошумящем усилителе 8. Также при этом принимаются мешающий сигнал, отраженный от раздела воздух-грунт и сигнал прямого прохождения от передающей антенны 1. При этом высота антенны над поверхностью Земли не должна превышать 5-10 см. Эти сигналы при обработке данных являются нежелательными, поскольку имеют амплитуды больше, чем сигналы, отраженные от объектов, поэтому они отфильтрованы полосовым фильтром 11. Результатом обработки радиолокационных данных является радарограмма с указанием границ раздела грунта и местоположения объектов в грунте.

В данном устройстве глубина залегания объекта или толщина слоя грунта определяется методом спектрального анализа по частоте биений на выходе усилителя 12. Оценка глубины зависит от диэлектрической проницаемости грунта $\dot{ε}$ . Однако реально вертикальное распределение $\dot{ε}$ с глубиной не постоянно, т.е. надо учитывать электродинамическую модель структуры грунта. Еще одна трудность заключается в априорной неизвестности электрофизических характеристик грунта. На величину $\dot{ε}$ при данной частоте измерений влияют довольно большое число параметров, таких как влажность, температура, дисперсность, засоленность, минералогический состав и плотность почвы, также сезонная и суточная изменчивость. В диапазоне частот от 300 до 900 МГц для разных грунтов почти не наблюдается дисперсионность диэлектрической проницаемости. Поэтому спектр частоты зондирующего сигнала выбран в этом диапазоне.

Для определения электродинамической модели грунта целесообразно комплексирование активных и пассивных радиолокационных измерений, целью которых является объединение различных измерителей в единое устройство, обладающее более высокими характеристиками по точности, информативности и помехоустойчивости, по сравнению с независимо действующими измерителями. При работе пассивной части устройства активная часть периодически выключается с помощью сигналов от блока управления и синхронизации 24.

В устройстве использован параллельный многоканальный прием радиотеплового излучения для получения температурного градиента по глубине грунта. Поскольку глубина радиовизирования земли зависит от частоты, то, принимая радиотепловое излучение от разных глубин, устанавливается динамика изменения радиояркостной температуры, для чего используются три последовательно соединенные цепочки, в каждую из которых входит полосовой фильтр 13, 14, 15 на диапазоны частот 300-500 МГц, 500-700 МГц, 700-900 МГц, соответственно. Измеряя динамику измерения температуры с глубиной, можно установить характер изменения влажности, которая оказывает сильное влияние на значение диэлектрической проницаемости грунта.

Используя три канала приема, регистрируем картину поля радиотеплового излучения с разных глубин и, соответственно, оценочное значение диэлектрической проницаемости грунта. Далее, сопоставляя ее с результатами активного зондирования в виде радарограммы, можно выбрать ту или иную наиболее подходящую электродинамическую модель структуры грунта для расчета глубины залегания объектов в среде. Дальнейший расчет и определение глубины залегания объекта проводится в блоке обработки информации IBM-PC 23.

Использование изобретения обеспечивает повышение точности измерения глубины залегания в грунте при поиске инженерных коммуникаций (газопроводы, водопроводы, оптоволоконные и металлические кабели) и других скрытых объектов и может использоваться в подповерхностном зондировании при определении местоположения газопроводов и водопроводов, при контроле их состояния, при выявлении аварийных участков, в строительстве, при контроле состояния и качества дорожных покрытий, опоры мостов и фундамента здания, как неразрушающий метод контроля.

Устройство определения глубины залегания подповерхностных объектов, содержащее передатчик, приемник, блок обработки информации и антенну, при этом передатчик содержит задающий генератор, первый выход которого соединен с первым входом модулируемого каскада, модулятор, выход которого соединен с вторым входом модулируемого каскада, приемник содержит смеситель, усилитель частоты биений, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной антенной, адаптером связи и блоком управления и синхронизации, передатчик снабжен усилителем мощности и направленным ответвителем, вход антенны соединен с выходом усилителя мощности, вход которого подключен к первому выходу направленного ответвителя, вход последнего соединен с выходом модулируемого каскада, второй выход направленного ответвителя подключен к второму входу смесителя, в приемник введены комплексированный с ним радиометрический приемник, малошумящий усилитель, переключатель, полосовой фильтр, при этом радиометрический приемник выполнен в виде трех параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратичный детектор и фильтр низкой частоты, выход дополнительной антенны соединен с входом малошумящего усилителя, выход которого подключен к первому входу переключателя, второй вход переключателя соединен с вторым выходом задающего генератора, первый выход переключателя подключен к смесителю, выход последнего соединен с входом полосового фильтра, выход которого соединен с входом усилителя частоты биений, второй выход переключателя подключен к входам полосовых фильтров цепочек, выход фильтра низких частот каждой цепочки подключен к соответствующему входу адаптера связи, выход усилителя частоты биений приемника и первый выход блока управления и синхронизации подключены к другим входам адаптера связи, выход которого подключен к входу блока обработки информации, при этом второй выход блока управления и синхронизации соединен с входом задающего генератора.

Изобретение относится к радиолокационным методам и средствам обнаружения подповерхностных объектов, позволящим осуществлять поиск траектории прокладки трасс подземных трубопроводящих коммуникаций, определять их поперечный размер и глубину залегания трасс в грунте, а также обнаруживать местоположение утечек нефти и газа из магистральных подземных трубопроводов.

Способ электромагнитных геофизических исследований подводных пластов пород // 2397512

Изобретение относится к геофизическим исследованиям. .

Способ определения глубины расположения объектов с летательного аппарата // 2349937

Изобретение относится к решению задач обработки сигналов и изображений подповерхностной области и предназначено для определения глубины расположения объектов, скрытых для визуального наблюдения, в труднодоступных районах.

Способ обезвреживания замаскированных радиоуправляемых взрывных устройств // 2310811

Изобретение относится к области борьбы с терроризмом техническими средствами, в частности к обезвреживанию замаскированных радиоуправляемых взрывных устройств на транспортных магистралях, и может найти широкое применение.

Мобильный георадар для дистанционного поиска местоположения подземных магистральных коммуникаций и определения их поперечного размера и глубины залегания в грунте // 2256941

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к радиолокационным методам и средствам неразрушающего контроля, позволяющим дистанционно осуществлять поиск траектории прокладки трасс действующих и вновь создаваемых подземных магистральных трубопроводящих коммуникаций, определять их поперечный размер и глубину залегания трасс в грунте.

Устройство для аэрогеофизической разведки (варианты) // 2201603

Изобретение относится к геофизическим, дистанционным, поисковым методам, осуществляемым с помощью летательных аппаратов. .

Устройство дистанционного зондирования подповерхностных слоев почвы // 2154845

Способ проведения измерения при геоэлектроразведке // 2112996

Изобретение относится к геофизическим методам разведки полезных ископаемых, в частности к электрическим методам. .

Квантовый магнитометр // 1240219

Протонный цифровой магнитометр // 1213456

Способ съемки геомагнитного поля на акватории буксируемым магнитометром и устройство для его осуществления // 2587111

Изобретение относится к морским геофизическим исследованиям и может быть использовано для выполнения съемки геомагнитного поля (ГМП) на акватории с целью обследования характерных аномалий ГМП с повышенной точностью в интересах решения конкретных прикладных задач вооруженных сил и народного хозяйства. Сущность изобретения заключается в том, что на буксируемой гондоле создают намагниченные импульсы с заданными параметрами источников магнитных импульсов, а на буксируемом судне измеряют трехкомпонентным магнитометром, оси (х, у, z) которого ориентируют относительно диаметральной плоскости буксируемого судна, и стабилизируют в горизонте, напряженность магнитного поля при наличии и при отсутствии создаваемых намагниченных импульсов, съемку геомагнитного поля на акватории осуществляют по замкнутым запланированным съемочным галсам начинают каждый съемочный галс с прохождения гондолой с магнитометром через место расположения опорного магнитного пункта и заканчивают его прохождением гондолы с магнитометром на том же опорном магнитном пункте или на другом опорном магнитном пункте, фиксируют измеренную напряженность геомагнитного поля магнитометром в моменты прохождения гондолы через место расположения опорного магнитного пункта в начале и в конце съемочного галса, определяют вычислительным путем последовательно приращение между выбранными смежными значениями измеренных напряжений геомагнитного поля вдоль съемочного галса, начиная с измеренного значения на опорном магнитном пункте и заканчивая измеренным значением напряженности геомагнитного поля на втором опорном магнитном пункте или на начальном пункте, по полученным данным вычисляют истинные значения напряженности геомагнитного поля и их истинные геодезические координаты на акватории съемки. Технический результат - повышение точности съемки ГМП на акватории буксируемым магнитометром. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Способ определения места землетрясения с борта космического аппарата // 2611595

Изобретение относится к области космических исследований и может быть использовано для определения места готовящегося землетрясения. Сущность: регистрируют низкочастотное электромагнитное излучение. По превышению интенсивности излучения фонового уровня судят о местоположении эпицентра землетрясения. В момент превышения интенсивностью низкочастотного излучения фонового уровня дополнительно сканируют с борта космического аппарата участки подстилающей земной поверхности в рентгеновском диапазоне спектра. По наличию и размерам участка земной поверхности, характеризующегося интенсивностью рентгеновского излучения с энергией 2-25 КэВ, превышающей фоновое значение не менее чем на 20 стандартных отклонений, уточняют местоположение эпицентра землетрясения. Причем низкочастотное электромагнитное излучение принимают на три антенны, размещенные на космическом аппарате в виде геометрического прямого угла. При этом в вершине угла помещают антенну первого приемного канала, общую для антенн второго и третьего приемных каналов, размещенных в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно. Преобразуют принимаемое низкочастотное излучение по частоте с использованием двух гетеродинов, частоты которых разносят на удвоенное значение промежуточной частоты и выбирают симметричными относительно несущей частоты низкочастотного излучения. Выделяют в трех приемных каналах напряжения промежуточной частоты. Перемножают между собой напряжения гетеродинов, напряжения промежуточной частоты первого и второго, первого и третьего каналов. Выделяют узкополосные напряжения на частоте, равной разности частот гетеродинов. Осуществляют корреляционную обработку напряжений промежуточной частоты первого и второго, первого и третьего приемных каналов. Сравнивают напряжения, пропорциональные полученным корреляционным функциям, с пороговыми напряжениями и в случае их превышения пороговых напряжений измеряют разности фаз между полученными узкополосными напряжениями на частоте, равной разности частот гетеродинов. По значению разности фаз определяют направления на эпицентр ожидаемого землетрясения в азимутальной и угломестной плоскостях. Причем частоту первого гетеродина используют для преобразования по частоте низкочастотного излучения, принимаемого по первому каналу. Частоту второго гетеродина используют для преобразования по частоте низкочастотных излучений, принимаемых по второму и третьему каналам. Дополнительно используют третью измерительную базу, образованную второй и третьей приемными антеннами и расположенную в гипотенузной плоскости. Тремя измерительными базами образуют прямоугольный треугольник. Перемножают между собой напряжения промежуточной частоты второго и третьего приемных каналов. Выделяют узкополосное напряжение на частоте, равной разности частот гетеродинов. Осуществляют корреляционную обработку напряжений промежуточной частоты второго и третьего приемных каналов. Сравнивают напряжения, пропорциональные полученным корреляционным функциям, с пороговыми напряжениями и в случае их превышения пороговых напряжений измеряют разность фаз между полученными узкополосными напряжениями на частоте, равной разности частот гетеродинов. По значению разности фаз определяют направление на эпицентр ожидаемого землетрясения в гипотенузной плоскости. По измеренным значениям азимута, угла места и угла ориентации определяют место эпицентра ожидаемого землетрясения. Технический результат: повышение точности определения местоположения эпицентра ожидаемого землетрясения. 7 ил.

Способ обнаружения границы локального подземного торфяного пожара и робот для проведения разведки подземных торфяных пожаров // 2625602

Изобретение относится к способам георадиолокационного подповерхностного зондирования всех слоев отложений торфяного пласта в режиме реального времени с целью обнаружения границы локального подземного торфяного пожара георадаром, установленным на платформе робота. Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе обнаружения границы локального подземного торфяного пожара, включающем в себя георадиолокационное подповерхностное зондирование всех слоев отложений торфяного пласта, заключающееся в излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства, георадар устанавливают на платформу робота, которую перемещают по маршруту, намеченному после проведенного патрульного наблюдения за контролируемой зоной, и осуществляют георадарное профилирование на заданном маршруте, а в намеченных точках маршрута производят зондирование торфяного пласта в условиях нахождения локального подземного торфяного пожара. Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в роботе для проведения разведки подземных торфяных пожаров, содержащем шасси на гусеничном ходу, силовые агрегаты, системы управления и наблюдения и передачи данных от проведенного наблюдения в режиме реального времени, и платформу, на последней установлен георадар для георадиолокационного подповерхностного зондирования всех слоев отложений торфяного пласта в условиях нахождения локального подземного торфяного пожара. Технический результат – обеспечение обнаружения границ локализации подземного торфяного пожара с любой глубиной залегания торфа в зонах, где размещение традиционных видов наземной техники крайне опасно. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.