Способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности и устройство для его осуществления

Способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к геофизике и предназначено для исследования подповерхностной структуры почвы и обнаружения объектов до глубин в несколько десятков и сотен метров и применимо для решения научных и инженерных задач в различных областях, таких как геофизика, геология, строительство, археология.

Известен способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, включающий формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя-ограничителя, получение волновой формы сигнала методом компарирования с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память (RU 2080622 С1, 27.05.1997).

Недостатком способа является то, что принятый за основной бинарный режим не позволяет в сложных ситуациях производить правильную интерпретацию полученных данных.

Задачей изобретения является создание нового режима регистрации - “полноволновая форма логарифмическая”.

Известно устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее автономный передатчик, включающий последовательно соединенные таймер и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также устройство содержит панель управления, блок памяти и ЖКИ (RU 2080622 С1, 27.05.1997).

Недостатками устройства являются недостаточный динамический диапазон, что приводит к ограничению амплитуды сигнала при получении волновой формы, а также к полной потере информации об амплитуде сигнала в режиме бинарных форм.

Задачей изобретения является создание устройства для реализации нового режима регистрации - “полноволновая форма логарифмическая”.

Техническим результатом является оперативное получение информации о подповерхностных структурах и объектах в виде двумерных картин в реальном времени, обнаружение подповерхностных объектов с более высоким пространственным разрешением по сравнению с бинарным режимом.

Технический результат достигается тем, что способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности включает формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя-ограничителя, получение волновой формы сигнала методом компарирования с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память. При предварительной обработке зарегистрированного сигнала для увеличения динамического диапазона регистрации с помощью многоразрядного ЦАП и блока управления аттенюатором формируют квазилогарифмическую шкалу квантования амплитуды сигнала. По логарифмической полноволновой форме зарегистрированного сигнала, представленной в виде последовательного ряда волновых форм сигнала в трехмерной форме - “амплитуда - время задержки - длина профиля” с цветовой кодировкой амплитуды сигнала, определяют значения диэлектрической постоянной и затухания сигнала в подстилающих слоях, по величине которых судят о наличии подповерхностных объектов, а для оперативного контроля на экран ЖКИ одновременно с кадром полноволновой формы сигнала выводят бинарный кадр, составленный из последовательного ряда полноволновых форм, выделенных при заданной величине порога.

Кроме того, технический результат достигается тем, что устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности содержит передатчик, включающий последовательно соединенные таймер и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные управляемый аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также устройство содержит панель управления, блок памяти и ЖКИ. Основной блок устройства, связанный с приемным блоком посредством кабеля, дополнительно содержит блок обработки, первый вход которого соединен с выходом основного усилителя, а второй - с выходом 7-разрядного ЦАП, а третий вход - с выходом контроллера, выход блока обработки соединен со входом контроллера, соединенного также с блоком синхронизации, блоком памяти, панелью управления и ЖКИ, контроллер через 7-разрядный ЦАП соединен с блоком управления аттенюатором, который посредством кабеля соединен с управляемым аттенюатором антенного усилителя, при этом запуск передатчика осуществляется путем разрыва оптоэлектронной пары, связанной с панелью управления основного блока и преобразователем напряжения передатчика и выполненной в виде инфракрасного светодиода и фотоприемника.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства.

На фиг.2 представлен типичный кадр логарифмической полноволновой формы отраженного от подповерхностных структур и объектов сигнала, по горизонтальной оси отложен десятичный логарифм амплитуды сигнала, по вертикальной оси - времена задержки отраженного сигнала в нсек (миллиардная доля секунды).

На фиг.3 представлен для сравнения кадр линейной волновой формы с ограничением амплитуды сигнала в верхней части кадра. По горизонтальной оси отложено значение амплитуды в линейном масштабе.

На фиг.4 представлен цветной (отпечатанный на черно-белом принтере) кадр из логарифмических полноволновых форм, иллюстрирующий более высокое по сравнению с бинарным кадром пространственное разрешение.

На фиг.5 представлен для сравнения с фиг.4 бинарный кадр того же участка.

На фиг.6 представлен кадр логарифмической полноволновой формы с 4-мя участками, где огибающие амплитуды сигнала аппроксимируются прямыми линиями.

Устройство содержит передатчик и приемные блоки, причем передатчик 1 включает аккумулятор 15, таймер 16, преобразователь напряжения 17, формирователь зондирующих импульсов 18, разъемную от блока передающую антенну 2; фотоприемник оптоэлектронной пары 5, а приемные блоки включают приемную антенну 3, соединенный с ней через разъем антенный усилитель 4, содержащий управляемый аттенюатор 19, усилитель-ограничитель 20 и светодиод оптоэлектронной пары 5, и соединенный кабелем с антенным усилителем конструктивно отдельный основной блок, содержащий блок синхронизации 6, основной усилитель 7, блок обработки 8, контроллер 9, ЖКИ 10, встроенную память 11, панель управления 12, 7-разрядный ЦАП 13 и блок управления аттенюатором 14.

В устройстве предусмотрен режим “бинарных форм”, т.е. полноволновых форм сигнала, выделенных при заданной величине порога. Возможна регистрация по выбору одного или трех кадров, с порогом 0 и двумя дополнительными порогами в пределах +16÷-16, что несколько обогащает возможность интерпретации данных в сложных ситуациях. Режим “бинарных форм” выгодно отличается от режима “полноволновых” форм малым объемом требуемой встроенной памяти, но использование его ограничено сравнительно простыми задачами, такими как обнаружение труб и коммуникаций.

В устройстве в качестве основного режима используется новый режим “логарифмических полноволновых форм”. Переключение аттенюатора производится программно с помощью 7-разрядного ЦАП так, чтобы на экране ЖКИ амплитуда сигнала регистрировалась в логарифмическом масштабе. Кадр на экране ЖКИ имеет 128 пикселей по горизонтали, из них левые 63 пикселя предназначены для отображения положительных сигналов, правые 64 пикселя - для отрицательных сигналов, а 64-й пиксель соответствует нулевому сигналу (нулевой порог). При малых амплитудах измеряемого сигнала аттенюатор не включается. До пикселя плюс и минус 8 (8 пикселей влево и вправо от нулевого 64-го пикселя) шаг квантования (приращение амплитуды сигнала при возрастании на 1 модуля порога) одинаково, следующие 4 пикселя шаг квантования порога увеличивается вдвое (приращение на два уровня порога на один пиксель), или, другими словами, крутизна отрезка прямой уменьшается вдвое, следующие 4 пикселя - вчетверо, следующие 4 пикселя - в восемь раз. После этого (плюс - минус двадцатого пикселя) приводится в действие управляемый аттенюатор: в каждом прямолинейном отрезке, состоящем из 3-х последующих пикселей, задаются повторно 3 последние значения порога, но с подключением аттенюатора с последовательно возрастающим ослаблением с шагом 4 дБ (4;8 и т.д. до 56 дБ). Поэтому крутизна прямолинейных участков (в пределах 3-х пикселей) последовательно уменьшается, и в результате с увеличением номера пикселя от середины (64-го пикселя) амплитуда сигнала на экране ЖКИ возрастает по квазилогарифмическому закону (кусочно-линейная аппроксимация), и таким образом удается увеличить динамический диапазон регистрируемого сигнала до ~100 дБ (42 дБ дает 7-разрядный ЦАП и 56 дБ - управляемый аттенюатор) без использования многоразрядного высокочастотного АЦП. К достоинству предложенной схемы регистрации полноволновых форм также следует отнести то, что чувствительность приемного тракта выше при малых порогах (50-75 мкВ при нулевом пороге), так как при больших амплитудах сигнала собственные шумы приемника несущественны.

Устройство состоит из трех конструктивно раздельных блоков (фиг.1). Передатчик 1 питается от встроенного источника питания 15 и состоит из таймера 16, задающего частоту следования (~1 кГц) зондирующих импульсов, преобразователя напряжения 17, повышающего напряжение с 10-15 В до 5 кB, и формирователя зондирующего импульса 18 на основе прецизионного газового разрядника. При подаче напряжения питания на основной блок работа преобразователя напряжения 17 блокируется с помощью оптоэлектронной пары 5, и только при нажатии кнопки “пуск” режима регистрации снимается блокировка преобразователя напряжения 17, заряжается накопительный конденсатор в формирователе зондирующего импульса 18. Напряжение на разряднике постепенно возрастает, наступает пробой разрядника, конденсатор замыкается на передающую антенну 2, формируя мощный зондирующий сверхширокополосный видеоимпульс. Зондирующий импульс первым достигает приемной антенны 3 по воздушному промежутку между антеннами, и по крутому переднему фронту этого импульса формируется синхроимпульс в блоке синхронизации 6, который служит временной привязкой для всего процесса обработки сигнала. Отраженные от подповерхностных объектов сигналы с запаздыванием, в зависимости от удаленности и глубины их нахождения, последовательно попадают на приемную антенну 3. Принятый сигнал предварительно обрабатывается в антенном усилителе 4 управляемым аттенюатором 19 и усилителем-ограничителем 20. Ограничение амплитуды сигнала производится с целью защиты приемного тракта от перегрузки. Сигнал с выхода антенного усилителя 4 передается по кабелю в основной блок, где доусиливается в основном усилителе 7 и попадает в блок обработки 8, в котором производится сравнение сигнала с порогом, задаваемым 7-разрядным ЦАП 13 и блоком управления аттенюатором 14 по квазилогарифмической шкале квантования. Превышение сигналом порога регистрируется в двоичном коде как “1”, отсутствие превышения регистрируется как “0”. Для привязки временных задержек моментов превышения сигналом порога используется синхроимпульс, сформированный в блоке синхронизации 6. С выхода блока обработки информация через контроллер 9 выводится на экран ЖКИ 10 и записывается в блок памяти 11. Режим работы контроллера задается через меню и подменю на панели управления 12. Перекачка информации из блока памяти 11 в персональный компьютер производится по последовательному порту с помощью нуль-модемного кабеля. Объем встроенной памяти 11 позволяет сохранять 500 кадров “бинарной” формы или 3000 кадров “полноволновой” формы в упакованном виде. Перекачка информации производится под управлением компьютера по протоколу связи либо отдельными кадрами, либо группами кадров, объединенных в так называемые “трассы-линии”. В качестве источника питания антенного усилителя и основного блока используется внешний, подсоединяемый разъемом аккумулятор на 12 В емкостью 7 А·ч.

Неприятной проблемой при ударном возбуждении антенны является возникновение периодических колебаний на собственной частоте, так называемый “звон” антенны. В георадиолокации обозреваемые объекты находятся в ближней зоне, и первые отраженные импульсы от объектов приходят с минимальной задержкой после зондирующего импульса. Звон, накладываясь на эти сигналы, полностью маскирует их, поэтому для уменьшения слепой зоны необходимо принять меры по их устранению. В устройстве используются резистивно-нагруженные дипольные антенны с коэффициентом подавления 0,35. При таком демпфировании заметен только один паразитный импульс звона. Потери в потенциале за счет демпфирования антенн компенсируются введением осреднения сигнала по 16 измерениям. С учетом этого можно легко подсчитать теоретический потенциал георадара ~150-160 дБ из отношения напряжения передатчика к чувствительности приемного тракта георадара. Реальный потенциал георадара может разительно отличаться от теоретически рассчитанного, поэтому для устройства декларируется более низкий, по сравнению с теоретическим, потенциал 100-130 дБ. Экспериментальное определение потенциала георадара представляет очень сложную проблему из-за неопределенности многих факторов, таких как свойства антенн и условия распространения сигнала.

Для улучшения оперативного контроля получаемого материала в устройстве при использовании цветного ЖКИ на одну половину индикатора выводится составной кадр из полноволновых форм с цветовой кодировкой амплитуды сигнала в трехмерной форме - “амплитуда - время задержки - длина профиля” и одновременно на другую половину индикатора - “бинарная форма”, т.е. полноволновая форма, выделенная при заданной величине порога.

Кадры “бинарных форм” легко расшифровываются даже в полевых условиях, и по бинарным кадрам при необходимости принимается решение о внесении корректировки в процесс измерения. Процесс измерения состоит в следующем: исследуемый участок разбивается на ряд точек с определенным шагом, и в каждой точке регистрируется кадр полноволнового сигнала, характерный вид которого приведен на фиг.2. Для сравнения на фиг.3 приведена волновая форма с ограничением по амплитуде. В случае наличия сбоя или помех последний полноволновой кадр стирается, и проводится повторная регистрация кадра.

Составной трехмерный кадр из полноволновых форм с цветовой кодировкой амплитуды позволяет в несколько раз улучшить пространственное разрешение в области малых временных разверток за счет амплитудной дискриминации сигналов от объектов (на фиг.3 такая область обведена прямоугольной рамкой), а также выделять объекты, невидимые на “бинарных формах” из-за наложения на сигнал от объектов прямого зондирующего импульса.

Последовательный ряд полноволновых форм содержит всю доступную для георадаров информацию о диэлектрической проницаемости и затухании сигнала в подповерхностной среде. Представление амплитуды регистрируемого сигнала в логарифмическом масштабе удобно еще и тем, что по “картине” на индикаторе оперативно можно оценить затухание сигнала в подповерхностных слоях, так как огибающая амплитуда сигнала является прямой линией при постоянстве затухания сигнала в слое, что хорошо видно на фиг.6. На этом рисунке можно уверенно идентифицировать 4 слоя с прямолинейной огибающей до времен задержки сигнала примерно 140 нсек. По наклону прямых огибающих можно оценить омическое затухание сигнала в слое, а участки излома или разрыва огибающей соответствуют границам перехода между слоями. В теоретических рассмотрениях обычно используется плоскослоистая, параллельная земной поверхности модель среды, и в такой среде каждый слой предполагается однородным с постоянной диэлектрической проницаемостью и омическим затуханием за счет проводимости. В такой модели зондирующий сигнал отражается только на границах перехода между слоями и отчасти на объектах, имеющих отличные от вмещающей среды электродинамические параметры. Но практика георадарных исследований, в частности наблюдения на устройстве, показывает, что такая модель далека от реальности в большинстве случаев. Подповерхностная среда, в отличие от воздушной, является существенно неоднородной. В каждом слое имеется множество отражающих объектов, таких как камни, включения другой породы, антропогенные объекты и т.д., расположенные на различных расстояниях от антенн георадара, и прямые линии на фиг.6 являются огибающими (в среднем) сигналов от множества отражающих объектов в слое.

Другим параметром подповерхностной среды, определяемым по георадарограммам, является диэлектрическая проницаемость, по величине равная квадрату показателя преломления среды. Георадарный образ интенсивных отражателей сигнала, каковыми являются, в частности, кабели и трубы, имеют вид гиперболических кривых, крутизна крыльев которых зависит от скорости распространения сигнала и, соответственно, от показателя преломления среды. Но при расчете величины диэлектрической проницаемости отражающий объект рассматривается как математическая точка, что существенно увеличивает погрешность. Определение показателя преломления осуществляется по гиперболам, при этом учитываются конечные размеры отражающих объектов. Для этого в приближении геометрической оптики решено уравнение 6-й степени по переменным параметрам. При диаметре труб 0,5 м и глубине залегания 1-2 м и показателе преломления 3 учет диаметра трубы уменьшает глубину залегания на 20% (или увеличивает на 20% показатель преломления).

В тех случаях, когда применимо приближение параллельности границ перехода слоев земной поверхности, для определения показателя преломления строится годограф - гиперболическая кривая отраженного сигнала от границ слоев, полученная при увеличивающемся расстоянии между передающей и приемной антенной, и по годографу определяется показатель преломления в слое и, соответственно, диэлектрическая проницаемость.

Найденные величины диэлектрической проницаемости и затухания сигнала важны для уверенного отождествления состава подповерхностной почвы (например, песок-супесь-суглинок-глина). После нахождения показателей преломления подповерхностных слоев времена задержки сигнала трансформируются в глубины, причем для каждого слоя задается свой коэффициент перевода “время задержки - глубина”.

Полноволновая форма представляет собой двумерный кадр (амплитуда - время задержки), а составной кадр из последовательного множества полноволновых форм является трехмерным (амплитуда - время задержки - длина профиля), что весьма неудобно при выводе и отображении информации. Для обработки полноволновых форм вместо третьей (амплитудной) координаты используются цветовая градация амплитуды сигнала. Количество цветов (обычно 32 цвета) и цветовая палитра подбирается и вводится в кадр по выбору оператора. На цветных кадрах выделяются линии максимальной (положительной) и минимальной (отрицательной) амплитуды, и по этим линиям и по линиям смены полярности сигнала (бинарный кадр с порогом 0) определяют так называемые линии синфазности сигнала, которым соответствуют подповерхностные объекты и слои. Кроме цветного кадра можно получить любой бинарный кадр на любом из 128 порогов в виде черно-белого или монохромного кадра. И цветные, и черно-белые кадры обрабатываются по стандартной методике бинарных форм.

Вышеописанное представление полноволновых форм выгодно отличается от широко распространенного способа “wiggle trace - изображение амплитуд отклонениями”, когда волновые формы (wave form) ужимаются в узкую ленту, и из последовательного ряда таких лент набирается кадр. (В литературе принято называть полноволновые формы “трассами” - перевод английского слова “trace”.)

Таким образом, удачные технические решения в устройстве позволили реализовать оптимальные эксплуатационные характеристики.

1. Способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, включающий формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя-ограничителя, получение волновой формы сигнала методом компарирования с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память, отличающийся тем, что при предварительной обработке зарегистрированного сигнала для увеличения динамического диапазона регистрации с помощью многоразрядного ЦАП и блока управления аттенюатором формируют квазилогарифмическую шкалу квантования амплитуды сигнала, по логарифмической полноволновой форме зарегистрированного сигнала, представленной в виде последовательного ряда волновых форм сигнала в трехмерной форме "амплитуда - время задержки - длина профиля" с цветной кодировкой амплитуды сигнала, определяют значения диэлектрической постоянной и затухания сигнала в подстилающих слоях, по величине которых судят о наличии подповерхностных объектов, а для оперативного контроля на экран ЖКИ одновременно с кадром полноволновой формы сигнала выводят бинарный кадр, составленный из последовательного ряда полноволновых форм, выделенных при заданной величине порога.

2. Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее передатчик, включающий последовательно соединенные таймера и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные управляемый аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также устройство содержит панель управления, блок памяти и ЖКИ, отличающееся тем, что основной блок устройства, связанный с приемным блоком посредством кабеля, дополнительно содержит блок обработки, первый вход которого соединен с выходом основного усилителя, а второй - с выходом 7-разрядного ЦАП, а третий вход - с выходом контроллера, выход блока обработки соединен со входом контроллера, соединенного также с блоком синхронизации, блоком памяти, панелью управления и ЖКИ, контроллер через 7-разрядный ЦАП соединен с блоком управления аттенюатором, который посредством кабеля соединен с управляемым аттенюатором антенного усилителя, при этом запуск передатчика осуществляется путем разрыва оптоэлектронной пары, связанной с панелью управления основного блока и преобразователем напряжения передатчика и выполненной в виде инфракрасного светодиода и фотоприемника.