Спосіб підповерхневого радіолокаційного зондування

Спосіб підповерхневого радіолокаційного зондування шляхом випромінювання вглиб Землі надкоротких імпульсів і прийому відбитих від шарів Землі сигналів за допомогою металевого відбивача і розташованих у внутрішньому просторі відбивача півхвильових передавального випромінювача C2 2 91320 1 3 фокусі параболоїду чи на системи вібраторів, що випромінюють сигнал в напрямку на об'єкт, приймають сигнали, які відбиті від об'єкту, і подають їх у приймач, перетворюють, усилюють їх і подають на індикатори для спостереження і вимірювання відстані до об'єкту, а також для визначення його характеристик. Недолік способу в тому, що сигнали, які відбиті від підземних об'єктів, затухають раніше закінчення імпульсу зондування , тобто устигнути приймання цих сигналів неможливо, тому що просторова довжина радіоімпульсів зондування, як правило, перевищує глибину зондування підповерхневих шарів Землі, через велике затухання радіохвиль в цих шарах і малий час затримки відбитих сигналів відносно радіоімпульсу зондування. Відомий спосіб підповерхневого радіолокаційного зондування Землі за допомогою надто коротких імпульсів, який може бути реалізований в різних переносних радіолокаційних комплексах (Москва. - РАН. Успехи физических наук. - №5. 2000г.). Спосіб містить операції: накопичення високої напруги в конденсаторі передавача, потужного збудження резистивно-навантаженої антени передавача у вигляді напівхвильового вібратору шляхом миттєвого (за наносекунда) розряду конденсатора крізь ключовий елемент, прийом відбитих сигналів резистивно-навантаженою антеною приймача, відновлення структури підземного середовища через параметри прийнятих сигналів, що забезпечує, перш за все, велику глибину (до 50м) спостереження структури підповерхневого середовища, визначення глибини залягання і потужності (товщини) геологічних шарів. Недоліки способу: 1) велика екологічна електромагнітна небезпека через звичайно високий рівень випромінювань у відкритій простір під час застосування антени передавача у вигляді відкритого передавального випромінювача, тобто напівхвильового вібратора; 2)великий рівень потужності завадових сигналів від різних місцевих об'єктів через низьку спрямованість випромінювання вібраторних передавальної і приймальної антен, що реалізують спосіб; 3)незадовільна точність визначення напряму на підповерхневі об'єкти, сигнали яких спостерігають на індикаторі радіолокатора; 4) складна технологія реалізації способу підповерхневого радіолокаційного зондування, через занадто складний процес вимірювань. Спосіб згідно пристрою підповерхневого радіолокаційного зондування (пат. України №61650, G01V3/12, G01S13/02. Бюл. №8, 2007p.), який передбачає генерування, випромінювання з різною поляризацією, прийняття і амплітудно-фазовий аналіз частотно-модульованих сигналів, що забезпечує необхідну інформативність способу під час виявлення та визначення характеристик підповерхневих об'єктів. Недоліки способу: занадто складна технічна реалізація способу радіолокаційного зондування і технологія обробки прийнятих сигналів. З відомих способів найбільш близьким за технологічною суттю та технічною реалізацією до пропонуємого є обраний в якості прототипу спосіб, згідно підповерхневому локатору (пат. Російської 91320 4 Федерації №2158015, G01V3/12, G01S13/02, 2000), що реалізує операції: випромінювання вглиб Землі високочастотних радіоімпульсів і прийому відбитих від шарів Землі сигналів за допомогою металевого відбивача-рупора круглого перерізу і сумісно розташованих у внутрішньому просторі рупора напівхвильових передавального випромінювача з двома приймальними, один з яких розташований радіально, а інший перпендикулярно до передавального, що забезпечує спостереження об'єктів симетричної форми, а також об'єктів, які обертають поляризацію відбитих сигналів (труби, кабелі тощо). Недоліки прототипу: 1) спосіб не дозволяє досліджувати підповерхневі об'єкти на глибинах більш ніж декілька метрів, тому що прийнятна технічна реалізація такого способу можлива лише на частотах більш ніж (109-1010)Гц. Але в цьому діапазоні частот занадто великі поглинання електромагнітної енергії в типовому підповерхневому середовище через її втрати на дипольну, індукційну і електронну молекулярну поляризацію речовин середовища; 2)спосіб не забезпечує необхідної точності визначення напрямку на об'єкт, який спостерігається, тому що необхідна концентрація енергії згідно технічної реалізації способу (під час випромінювання і прийняття високочастотних сигналів) в прототипі відсутня. Задачею, на яку спрямований винахід, є усунення недоліків прототипу: шляхом формування надто коротких відеоімпульсів зондування, застосування малогабаритних передавального і двох приймальних випромінювачів з високим рівнем магнітної і діелектричної проникливостей, розташування їх в оточенні фокусу металевого дзеркального рефлектору, в середовищі, довжина хвилі в якому є узгодженою з малою довжиною хвилі випромінювачів і з малими їх розмірами, екранування випромінювання у верхню напівсферу місця підповерхневої радіолокації та концентрує енергію у вузькому проміні в напрямку, перпендикулярному поверхні Землі. Для вирішення цієї задачі, в технології підповерхневого радіолокаційного зондування, поряд з операціями випромінювання вглиб Землі надто коротких імпульсів і прийому відбитих від шарів Землі сигналів за допомогою металевого відбивача і розташованих у внутрішньому просторі відбивача напівхвильових передавального випромінювача з двома приймальними, один з яких розташований радіально, а інший перпендикулярно до передавального, накопичення високої напруги в конденсаторі передавача, потужного збудження передавального випромінювача під час розряду конденсатора протягом декілька наносекунд крізь ключовий елемент, спостереження структури підповерхневого середовища за допомогою індикатору і визначення глибини залягання і потужності геологічних шарів Землі шляхом вимірювання рівня затримки відбитих сигналів відносно імпульсу зондування, згідно винаходу, попередньо виготовляють металевий відбивач у вигляді дзеркального рефлектора-параболоїда обертання, а кожний з випромінювачів створюють у вигляді феромагнітного осердя з ізольованою обмоткою, який попе 5 редньо спікають із суміші фериту і перовськіту та розташовують в оточенні фокусу дзеркального рефлектора, заповнюють внутрішній простір дзеркального рефлектора полімерним пінистим композитом, який наповняють сумішшю дисперсних діелектричних фериту і перовськіту для забезпечення в композиті довжини електромагнітної хвилі, що дорівнює декілька сантиметрів і відповідає розмірам кожного з випромінювачів, заглушають розкрив відбивача пластиною полімерного композиту з хвильовим опором, що відповідає хвильовому опору полімерного пінистого композиту у просторі дзеркального рефлектора. Приклад реалізації способу Кожний випромінювач в оточенні фокусу дзеркального рефлектора-параболоїда обертання має форму феромагнітного осердя з ізольованою обмоткою, яке було спресовано із дисперсної суміші фериту і перовськіту, які беруть у співвідношенні за об'ємом 10:1. Осердя має діаметр d=10мм, довжину L=50мм. В обмотці випромінювача, що має w=15 витків, під час розряду конденсатору передавача протягом 4·10-9с тече струм, центральна гармоніка якого з частотою ωο має вид і=Imsinωоt=3sin2 ·3·108t (A). Споживання активної імпульсної потужності у передавальному випромінювачі дорівнює Ри=16·103Вт, реактивна імпульсна потужність складає Qи=32·103Β·Α. Припустимо, що петля гістерезису є еліптичною, а втратами енергії в обмотці випромінювачу можливо понехтувати. Необхідно визначити: а) комплексну магнітну проникливість випромінювача; б) довжину хвилі у внутрішньому просторі дзеркального рефлектора в) хвильовий опір середовища у внутрішньому просторі дзеркального рефлектора; г) діаметр розкриву параболоїду обертання; д) коефіцієнт посилення антени георадару; є) формули для обчислення глибини залягання і потужності підповерхневих шарів Землі. Довжина магнітної лінії в феромагнітному осерді дорівнює L=50мм, тому об'єм осердя дорівнює V= d2/4·L=3925мм3. Амплітуда напруженості магнітного поля Hm=w·lm/L=15·3/(50·10-3)=900А/м. Мнимая частина магнітної проникливості випромінювача μ2=Ри·(2)0,5·2/[ωоμο(Hm)2V]=4,3. Дійсна частина магнітної проникливості μ1=μ2Qи/Ри=8,6. а)Комплексна магнітна проникливість дорівнює μ*=μ1-jμ2=8,6-j4,3. Довжина хвилі на виході випромінювача, з урахуванням його діелектричної проникливості і частки діелектричної проникливості перовськіту, тобто ε*=60, дорівнює Λo=C/[fo·(s*·μ*)0,5] 5,...,6см, 8 де С=3·10 м/с - швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль в вакуумі. Інші, тобто приймальні випромінювачі, подібні передавальному за габаритами і фізичними властивостями. б) Довжина хвилі с в середовище, яке заповнює параболоїд обертання, з урахуванням відомої 91320 6 формули lnεс=рпlnεп+рlnε, де р - концентрація наповнювачу, рп - концентрація зв'язуючого полімера (полістирола) дорівнює 0,5 8 8 0,5 с=C/[fo·(εc·μc) ]=3·10 /[3·10 (93·2) ]=6,...,7см, де εc, μс проникливість середовища у складі: пінистий полістирол - 1 частина; ферит - 2 частини; перовськіт - 7 частин. Така довжина хвилі випромінювача і довжина хвилі середовища дозволяють забезпечити необхідну концентрацію електромагнітної енергії за допомогою дзеркального рефлектору прийнятних розмірів. в) Хвильовий опір середовища у внутрішньому просторі дзеркального рефлектора дорівнює W=120 (μс/εс)0,5=120·3,14·(2/93)0,5=55Ом. г) Діаметр розкриву дзеркального рефлекторупараболоїду обертання, що дорівнює 2у, доцільно визначити з урахуванням доцільної концентрації енергії в кутовому секторі, наприклад, рівному а=10°, і, перш за все, з урахуванням довжини с хвилі в середовище, яке заповнює параболоїд обертання. Доцільно обрати відстань фокусу від вершини параболоїду z=4,0· c=0,28м. Ця відстань - більш ніж фокальний параметр дзеркального рефлектору, що викликає деяке поширення діаграми спрямованості антени, але ці втрати можливо компенсувати через суттєву концентрацію енергії, що пропонується у винаході, в порівнянні з прототипом. Доцільна висота параболоїду обертання Ζ=5 c=0,35м. Тоді діаметр розкриву параболоїда обертання 2у=60 c/ а 42см. Діаметр D площини горизонтального перерізу шару Землі, що можливо спостерігати за допомогою способу, що пропонується, на глибині, напр., r=40-50м, дорівнює D=2r·tg( /2)=2·45·tg(10°/2) 7м. д) Коефіцієнт посилення антени георадару Nв доцільно визначити для розглянутої реалізації за відомою формулою Nв=25000/(θа)2=250. Обчислення глибини hi+1 залягання кожного (і+1)-го шару і потужності Γhі кожного і-го підповерхневого шару Землі доцільно визначати шляхом вимірювання часу х\ між серединою зондуючого імпульсу і серединою відбитого імпульсу на виході приймача георадару, з урахуванням відомих рівнів діелектричної проникливості ε: для сухого ґрунту ε=2,5; для вологого ґрунту ε=20; для граніту ε=7; для води ε=80. е) Формули для обчислення глибини hі+1 залягання кожного (і+1)-го шару і потужності Γhi кожного і-го підповерхневого шару Землі мають вид i 1 hi+1=0,5С· і/(ε)0,5; Γhi=0,5С·[ і(j)]/(ε)0,5; j 1 і=1, 2,...n. Порівняння властивостей прототипу і винаходу. 1) Співвідношення рівнів (для винаходу і прототипу) глибини Γ проникнення електромагнітного поля в підповерхневе середовище, наприклад, у сухий ґрунт, який має діелектричну проникливість, наприклад, ε=4,5. Тангенс кута втрат на частоті (для винаходу) fо=3·108Гц дорівнює tg =0,003, на 7 91320 частоті (для прототипу) f=3·109Гц дорівнює tg =0,01. Тому маємо рівні глибини Γ проникнення поля: для прототипу: 0,5 8 9 Γп=С/[ f(ε) tg ]=3·10 /[3,14·3·10 ·2,12·0,01]=1,5м. для винаходу: Γв=С/[ f(εо)0,5tg ]=3·108/[3,14·3·108·2,12·0,003]=50м. 2) Співвідношення глибин виявлення шарів землі, за умовою, коли радари згідно прототипу и винаходу мають однакові рівні потужностей передавачу, але різні рівні потенціалів через різні коефіцієнти (Νв=250, Νп=1,64) посилення антен георадарів і різні глибини Γ проникнення електромагнітного поля, тобто різні коефіцієнти поглинання поля в підповерхневого середовища, що дорівнюють: (Γп)-1=1/1,5=0,67; (Γв)-1=1/50=0,02. Тому співвідношення глибин виявлення шарів дорівнює Комп’ютерна верстка А. Рябко 8 Rв/Rп=(Nв/Nп)2·0,25exp{2(-0,02+0,67)}≈50; Rв=Rп·50м=1,5·50=75м. 3) Співвідношення рівнів точності визначення напрямків на об'єкти, яка пропорційна концентрації Γ випромінювання в кутовому секторі в нижню напівсферу, вглиб Землі, за умовою, коли діаметри розкривів відбивачів однакові, а довжина хвилі, яка розповсюджується у внутрішньому просторі дзеркального рефлектора з полімерним пінистим композитом, який є наповненим сумішшю дисперсних діелектричних фериту і перовськіту, дорівнює 7см, для винаходу і прототипу дорівнює Гв/Гп=[60· в/2y]-1/[2·1,18·57,3· п/2у]-1=[60·7/42]1 /[2·67,6·10/42]-1=3,2. Таким чином, досягнення технологічного результату за допомогою пропонованого способу, а також можливість реалізації способу, уявляються обґрунтованими. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601