Пристрій підповерхневого радіолокаційного зондування

1 Пристрій підповерхневого радіолокаційного зондування, який містить генератор частотномодульованого сигналу, підсилювач потужності, відгалужувач, вхід якого з'єднаний з виходом підсилювача потужності, перший і другий фільтри, перший і другий високочастотні перемикачі, перший змішувач, вхід якого з'єднаний з першим виводом першого високочастотного перемикача, першу і другу антени, виконані з можливістю прийому сигналів з ортогональним напрямом поляризації, аналого-цифровий перетворювач і електронно-обчислювальний пристрій, що забезпечує формування кодів керування і обчислення геофізичних параметрів досліджуваного підповерхневого шару, вхід якого з'єднаний з виходом аналогоцифрового перетворювача, а перший і другий виходи - з керувальними входами першого і другого високочастотних перемикачів ВІДПОВІДНО, другий вивід першого високочастотного перемикача з'єднаний з першим виводом другого високочастотного перемикача, другий і третій виводи якого з'єднані з виводами першої і другої антен ВІДПОВІДНО, який відрізняється тим, що в нього введені генератор опорного сигналу, другий змішувач, перший і другий фазові детектори, третій високочастотний перемикач і фазообертач, причому перший і дру гий фільтри виконані як фільтри низької частоти, перша і друга антени являють собою приймальнопередавальні антени, виконані з можливістю випромінювання сигналів з ортогональним напрямом поляризації, входи генератора частотномодульованого сигналу і генератора опорного сигналу з'єднані з третім і четвертим виходами електронно-обчислювального пристрою, а їх перші виходи - з першим і другим входами другого змішувача, вихід якого з'єднаний з першим входом першого фазового детектора і через фазообертач - з першим входом другого фазового детектора, другі виходи генератора частотно-модульованого сигналу і генератора опорного сигналу з'єднані з входом підсилювача потужності і другим входом першого змішувача, вихід якого з'єднаний з другими входами першого і другого фазових детекторів, виходи яких через перший і другий фільтри низької частоти ВІДПОВІДНО підключені до входів аналогоцифрового перетворювача, п'ятий вихід електронно-обчислювального пристрою з'єднаний з керувальним входом третього високочастотного перемикача, перший і другий виводи якого з'єднані з третім і другим виводами другого високочастотного перемикача ВІДПОВІДНО, а третій вивід - з першим виходом відгалужувача, другий вихід якого з'єднаний з третім виводом першого високочастотного перемикача Винахід належить до техніки радіолокаційного зондування і може бути застосований для розвідки корисних копалин, а також для пошуку інженерних комунікацій та прихованих у землі неоднорідносте й Відомий підповерхневий локатор, який містить високочастотний генератор, приймач високочастотного сигналу, приймальну і передавальну антени, суміщені в одному рупорі круглого перерізу, в якому розміщені передавальний і два приймальні електроди, систему вводу координат досліджуваної поверхні та електронно-обчислювальний пристрій (пат Російської Федерації №2158015, G01V 3/12, G01S 13/02,2000) Передавальний електрод антени розміщений по радіусу рупора, один приймальний електрод 2 Пристрій за п 1, який відрізняється тим, що генератор частотно-модульованого сигналу і генератор опорного сигналу виконані як ідентичні синтезатори частоти, які формують частотномодульовані сигнали з покроковою зміною частоти О ю (О (О 61650 перпендикулярно до передавального, а другий приймальний електрод - навпроти Передавальний електрод антени випромінює ЛІНІЙНО поляризовану радіохвилю, перпендикулярно розташований приймальний електрод приймає сигнали від об'єктів, що обертають поляризацію (труб, кабелів тощо), а паралельний приймальний електрод сигнали, відбиті від об'єктів симетричної форми Відомий пристрій не дозволяє досліджувати підповерхневі об'єкти на великих глибинах, що зумовлене конструкцією антенного блоку, призначеного для роботи лише у високочастотному діапазоні радіохвиль (понад 1 ГГц) Відомо, що на таких частотах глибина зондування обмежена величинами 1-2м До того ж можливості відомого пристрою обмежені аналізом лише амплітудних складових відбитих сигналів, без урахування їх фазової структури Найбільш близьким до пропонованого технічного рішення є пристрій підповерхневого радіолокаційного зондування, який містить генератор частотно-модульованого сигналу, два від галу жувачі, підсилювач потужності, вихід якого з'єднаний з входом відгалужувача, високочастотний і ежекторний фільтри, два високочастотні перемикачі, змішувач, вхід якого з'єднаний з першим виводом першого високочастотного перемикача, передавальну і дві просторово рознесені приймальні антени, виконані з можливістю прийому сигналів з ортогональним напрямом поляризації, аналогоцифровий перетворювач і електроннообчислювальний пристрій, що забезпечує формування кодів керування і обчислення геофізичних параметрів досліджуваного підповерхневого шару, вхід якого з'єднаний з виходом аналого-цифрового перетворювача, а перший і другий виходи - з керуваль-ними входами першого і другого високочастотних перемикачів ВІДПОВІДНО, причому другий вивід першого високочастотного перемикача з'єднаний з першим виводом другого високочастотного перемикача, другий і третій виводи якого з'єднані з виводами першої і другої антен ВІДПОВІДНО (пат Російської Федерації №2138064, кл G01S 13/95, 1999) Відомий пристрій також містить підсилювач сигналів далекомірних частот, що включає два резонансні підсилювачі, емітерний повторювач і дешифратори, та датчик місцеположення, який дозволяє точно визначати координати місцевості підповерхневого зондування через навігаційний приймач космічних систем ГЛОНАС та GPS Для визначення швидкості поширення радіохвиль у зондованому середовищі дві приймальні антени рознесені на відстань, сумірну з глибиною зондування Робота відомого пристрою заснована на випромінюванні надширокос-мугових сигналів з внутрішньо-імпульсною частотною модуляцією і прийманні приймальною антеною сигналів, відбитих від границь розділу шарів зондованого середовища, що мають різні фізико-механічні та електричні характеристики, такі як діелектрична проникність і питоме згасання електромагнітних хвиль При цьому глибина залягання шару, що відбиває, визначається по часу запізнювання відбитих імпульсів і швидкості поширення радіохвиль за допомогою електронно-обчислювального пристрою Відомий пристрій підповерхневого радіолокаційного зондування дозволяє здійснювати зондування на великі глибини з високими роздільною здатністю і швидкістю обчислення геофізичних параметрів, проте його можливості обмежені аналізом лише амплітудних складових відбитих сигналів, без урахування їх фазової структури Таким чином інформативність відбитих сигналів використовується недостатньо, що не дозволяє після їх обробки розпізнавати форму та ІНШІ характеристики під поверхневих об'єктів з високим ступенем достовірності На достовірність результатів дослідження також негативно впливає використання просторово рознесених приймальних антен, оскільки неоднорідності, співмірні з відстанню між антенами, вносять суттєві спотворення в характеристики відбитих сигналів В основу винаходу поставлено задачу створення пристрою підповерхневого радіолокаційного зондування, в якому завдяки введенню нових блоків (генератора опорного сигналу, змішувача, фазових детекторів, фазообертача, фільтрів низької частоти і системи взаємно перпендикулярних приймально-передавальних антен) забезпечено можливість аналізу відбитих сигналів з урахуванням їх фазової структури і, отже, підвищення достовірності визначення характеристик підповерхневих об'єктів Поставлена задача вирішується тим, що у відомий пристрій підповерхневого радіолокаційного зондування, який містить генератор частотномодульованого сигналу, послідовно з'єднані підсилювач потужності, відга-лужувач, вхід якого з'єднаний з виходом підсилювача потужності, перший і другий фільтри, перший і другий високочастотні перемикачі, перший змішувач, вхід якого з'єднаний з першим виводом першого високочастотного перемикача, першу і другу антени, виконані з можливістю прийому сигналів з ортогональним напрямом поляризації, аналого-цифровий перетворювач і електронно-обчислювальний пристрій, що забезпечує формування кодів керування і обчислення геофізичних параметрів досліджуваного підповерхневого шару, вхід якого з'єднаний з виходом аналого-цифрового перетворювача, а перший і другий виходи - з керувальними входами першого і другого високочастотних перемикачів ВІДПОВІДНО, другий вивід першого високочастотного перемикача з'єднаний з першим виводом другого високочастотного перемикача, другий і третій виводи якого з'єднані з виводами першої і другої антен ВІДПОВІДНО, ЗГІДНО з винаходом, введені генератор опорного сигналу, другий змішувач, перший і другий фазові детектори, третій високочастотний перемикач і фазообертач, перший і другий фільтри виконані у вигляді фільтрів низької частоти, перша і друга антени являють собою приймально-передавальні антени, виконані з можливістю випромінювання сигналів з ортогональним напрямом поляризації, входи генератора частотно-модульованого сигналу і генератора опорного сигналу з'єднані з третім і четвертим виходами електронно-обчислювального пристрою, а їх перші виходи - з першим і другим входами другого змішувача, вихід якого з'єднаний з першим входом першого фазового детектора і 61650 там поляризаційної матриці розсіяння, і вводять їх значення до електронно-обчислювального пристрою для аналізу і розрахунку характеристик підпо-верхневого об'єкта Виділення на виході фазових детекторів квадратурних складових відбитих сигналів, які зсунуті один відносно іншого на 90°, та їхня подальша фільтрація для заглушування сигналів сумарних частот дозволяють визначати зміни фази відбитого сигналу з високою точністю Використання керованих електроннообчислювальним пристроєм двох ідентичних синтезаторів частоти для формування опорного сигналу дає можливість вимірювати зміни фази відбитого сигналу за рахунок її порівняння з фазою зондувального сигналу на ПОСТІЙНІЙ частоті опорного сигналу Тому нестабільність та ІНШІ ЗМІНИ Крім того, згідно з винаходом, генератор часнесучої частоти зондувального і відбитого сигналів тотно-модульованого сигналу і генератор опорного не справляють впливу на результати вимірювання сигналу виконані у вигляді ідентичних синтезаторів Використання пропонованого пристрою, у почастоти, які формують частотно-модульовані сигрівнянні з аналогом і прототипом, дозволяє суттєнали з покроковою зміною частоти во підвищити інформативність структури відбитих Пропоноване технічне рішення забезпечує сигналів після їх обробки для розпізнавання форможливість аналізу відбитих сигналів з урахуванми і фізичних характеристик підповерхневих об'єкням їх фазової структури і, отже, підвищення дотів Так, наприклад, недіагональні елементи А 1 2 і стовірності визначення характеристик підповерхА 2 1 повної поляризації матриці розсіяння (1) відневих об'єктів завдяки тому, що наявність повідають переважно відбиттям від підповерхневимірювального каналу і каналу опорного сигналу, вих об'єктів, які обертають поляризацію (несиметдвох фазових детекторів, фазообертача і двох ричні об'єкти невеликого розміру, співмірного з фільтрів низьких частот, які утворюють квадратурдовжиною радіохвилі в грунті, або менші від неї) ні канали, а також керованих від електронноВідсутність зазначених елементів або їх порівняно обчислювального пристрою за допомогою високоневеликі значення по відношенню до діагональних частотних перемикачів двох приймальноелементів характеризують відбиття від границь передавальних антен, які можуть випромінювати і шаруватих підповерхневих неоднорідностей Поприймати сигнали в двох взаємновна поляризаційна матриця розсіяння, яка харакперпендикулярних напрямах поляризації, дозвотеризує відбиття від плоскої поверхні (границі двох ляє одержати повну поляризаційну матрицю розсішарів), має чітко виражену діагональну структуру яння радіохвиль підповерхневими об'єктами з урахуванням и фазової структури На кресленні подано на фіг 1 - структурна Повна поляризаційна матриця розсіяння має схема пристрою підповер-хневого радіолокаційновигляд го зондування, на фіг 2-4 - схеми комутації високочастотних перемикачів А= Пристрій підповерхневого радіолокаційного А21 А22 зондування містить генератор 1 частотно(1) модульованого сигналу, генератор 2 опорного сигде Ау - комплексна амплітуда відбитого від налу, підсилювач 3 потужності, відгалужувач 4, перший і другий змішувачі 5 і 6 ВІДПОВІДНО, фазоопідповерхневого об'єкта сигналу при і - їй полярибертач 7, перший і другий фазові детектори 8 і 9 зації сигналу, який випромінюють, IJ - їй поляризаВІДПОВІДНО, перший і другі фільтри 10 і 11 низької ції сигналу, який приймають частоти, ВІДПОВІДНО, аналого-цифровий перетвоЗгідно З винаходом, значення елемента Ац рювач 12, електронно-обчислювальний пристрій матриці визначають шляхом випромінювання зон13, перший, другий і третій високочастотні перемидувального сигналу і приймання відбитого сигналу качі 14, 15, 16 ВІДПОВІДНО, та першу і другу припершою антеною, елемента А 1 2 - шляхом випроймально-передавальні антени 17, 18 ВІДПОВІДНО мінювання зондувального сигналу першою антеПерші виходи генератора 1 частотноною і приймання відбитого сигналу другою антемодульованого сигналу і генератора 2 опорного сигналу з'єднані з першим і другим входами зміною, елемента А 2 1 - шляхом випромінювання шувача 6, ВІДПОВІДНО, другі їх виходи - з входом зондувального сигналу другою антеною і припідсилювача 3 потужності і другим входом змішуймання відбитого сигналу першою антеною, елевача 5, ВІДПОВІДНО, а входи - з третім і четвертим мента А 2 2 - шляхом випромінювання зондувальвиходами електронно-обчислювального пристрою ного сигналу і приймання відбитого сигналу 13, ВІДПОВІДНО Вихід змішувача 6 підключений до другою антеною Таким чином, при кожному знапершого входу фазового детектора 8 і, через фаченні частоти зондувального сигналу вимірюють зообертач 7, - до першого входу фазового детекквадратурні складові сигналів, відбитих від підпотора 9, другі входи фазових детекторів 8 і 9 підключені до виходу змішувача 5, а їх виходи, через верхневих об'єктів, які відповідають усім елеменчерез фазообертач - з першим входом другого фазового детектора, другі виходи генератора частотно-модульованого сигналу і генератора опорного сигналу з'єднані з входом підсилювача потужності і другим входом першого змішувача, вихід якого з'єднаний з другими входами першого і другого фазових детекторів, виходи яких через перший і другий фільтри низької частоти ВІДПОВІДНО підключені до входів аналого-цифрового перетворювача, п'ятий вихід електронно-обчислювального пристрою з'єднаний з керувальним входом третього високочастотного перемикача, перший і другий виводи якого з'єднані з третім і другим виводами другого високочастотного перемикача ВІДПОВІДНО, а третій вивід - з першим виходом відгалужувача, другий вихід якого з'єднаний з третім виводом першого високочастотного перемикача 61650 8 ВІДПОВІДНІ фільтри низької частоти 10 і 11, з'єднані період його дискретизації, інформацію щодо згаз входами аналого-цифрового перетворювача 12 даних параметрів запам'ятовують в пам'яті електВхід електронно-обчислювального пристрою ронно-обчислювального пристрою 13 13 з'єднаний з виходом аналого-цифрового переДля формування зондувального сигналу запутворювача 12, а перший, другий і п'ятий виходи - з скають в роботу генератор 1, на керувальний вхід керувальними входами першого, другого і третього якого від електронно-обчислювального пристрою високочастотних перемикачів 14,15,16 ВІДПОВІДНО 13 подають інформацію щодо поточного значення Перший, другий і третій виводи першого височастоти На виході генератора 1 одержують частокочастотного перемикача 14 з'єднані з першим тно-модульований сигнал з покроковою зміною входом змішувача 5, другим виходом відгалужувачастоти, який через підсилювач потужності 3 і відча 4 і першим виводом другого високочастотного галужувач 4 подають на керовані високочастотниперемикача 15 ВІДПОВІДНО Другий і третій виводи ми перемикачами 14, 15, 16 приймальновисокочастотного перемикача 15 з'єднані з перпередавальні антени 17,18 за наступним алгоритшим і другим виводами третього високочастотного мом перемикача 16 ВІДПОВІДНО, ЯКІ підключені до вивоВ положенні високочастотних перемикачів 14дів першої і другої приймально-передавальних 16, показаному на фіг 1, випромінювання зондуваантен 17 і 18 ВІДПОВІДНО Третій вивід високочастольних сигналів і приймання відбитих сигналів здійтного перемикача 16 з'єднаний з першим виходом снюється за допомогою приймальновідгалужувача 4 передавальної антени 17 При цьому вимірюють В конкретному прикладі виконання генератори значення елемента A-ц повної поляризаційної 1 і 2 частотно-модульованого сигналу являють матриці розсіяння (1), яке відповідає поточному собою ідентичні синтезатори частоти, виконані, значенню несучої частоти зондувального сигналу наприклад, за технологією фазового автопідстроВ положенні високочастотних перемикачів 14-16, ювання частоти конані, наприклад, за технологією показаному на фіг 2, здійснюється приймання відфазового автопідстроювання частоти на базі мікбитих сигналів за допомогою антени 18 при виросхем МС 145193 фірми MOTOROLA Обидва промінюванні зондувальних сигналів антеною 17, генератори формують ідентичні частотномодульовані сигнали з покроковою зміною частоти що відповідає елементу А 1 2 повної поляризаційі зсувом, наприклад, на 1МГц ної матриці розсіяння (1) В положенні високочастотних перемикачів 14-16, показаному на фіг З, Функції електронно-обчислювального приздійснюється випромінювання зондувальних сигстрою 13 може виконувати, наприклад, ПЕОМ налів антеною 18 і приймання відбитих сигналів Фазові детектори 8 і 9 можуть бути виконані на напівпровідникових діодах за відомою схемою антеною 17, що відповідає елементу А 2 1 повної (див Э Рэд Справочное пособие по высокочасполяризаційної матриці розсіяння (1) В положенні тотной схемотехнике Схемы, блоки, 50-омная високочастотних перемикачів 14-16, показаному техника М «Мир», 1990, с 256) на фіг 4, випромінювання зондувальних сигналів і Фазообертач 10 може бути виконаний на розприймання відбитих сигналів здійснюється антесувній лінії, бути поляризаційним або трамбонним ною 18, що відповідає елементу А 2 2 повної поляЗміна фази +90° ризаційної матриці розсіяння (1) Приймально-передавальними антенами 17,18 можуть бути, наприклад, вібраторні антени площинної конструкції, причому геометричні осі вібраДля формування опорного сигналу одночасно торів обох антен мають бути взаємно перпендикуз генератором 1 запускають генератор 2, керовалярними (див «Сверхши-рокополостные ний від електронно-обчислювального пристрою антенны» Под ред Бененсона Л С М «Мир», 13 Генератори 1 і 2 виконані у вигляді ідентичних 1964) синтезаторів частоти, частоту їх вихідних сигналів модулюють по одному закону, зі зсувом по частоті, Як високочастотні перемикачі 14, 15, 16 монаприклад, на 1МГц, при цьому фаза сигналів зміжуть бути використані, наприклад, р-і-п діоди нюється за випадковим законом Відгалажувач 4 на два канали може бути виконаний, наприклад, на феритових кільцях (див Э Сигнал з виходу генератора 1 подають на пеРэд Справочное пособие по высокочастотной рший вхід змішувача 6, на другий вхід якого надсхемотехнике Схемы, блоки, 50-омная техника М ходить сигнал з виходу генератора 2 Після пере«Мир» 1990, с 25) множення сигналів у змішувачі 6 на його виході одержують опорний сигнал з довільною зміною Принцип роботи пристрою заснований на вифази і частотою, що дорівнює різниці частот сигпромінюванні зондувальних сигналів, наприклад, налів, генерованих синтезаторами частоти, тобто частотно-модульованих сигналів з покроковою 1МГц зміною частоти, і прийманні відбитих сигналів, що містять інформацію про глибину залягання підпоВідбитий від неоднорідності (границі розділу верхневого об'єкта, його форму, фізико-механічні середовищ) сигнал, прийнятий згідно з вищезата електричні характеристики значеним алгоритмом приймальноПропонований пристрій під поверхневого рапередавальною антеною 17 або 18, подають на діолокаційного зондування працює таким чином перший вхід змішувача 5, на другий вхід якого подають сигнал з виходу генератора 2 Після переСпочатку в залежності від поставленої задачі, множення відбитого і опорного сигналів у змішуванаприклад, виявлення підземних комунікацій, лінз чі 5 на його виході одержують сигнал різницевої нафти або води, картографування тощо, обирають частоти, що дорівнює 1МГц Фаза цього сигналу діапазон зміни частоти зондувального сигналу і 61650 несе корисну інформацію щодо глибини розташування границі розділу середовищ і характеристик підповерхневого об'єкта, а також випадкову фазу, яку одержують на виході змішувача 6 Вихідний сигнал змішувача 6 подають на перший вхід фазового детектора 8 і одночасно, через фазообертач 7, де сигнал зсувається на +90°, - на перший вхід фазового детектора 9 На другі входи фазових детекторів 8 і 9 подають сигнали з виходу змішувача 5 На виходах фазових детекторів 8 і 9 одержують квадратурні складові сигналу, в якому випадкову фазу усунено Дійсна і уявна складові вищезгаданого сигналу дорівнюють ВІДПОВІДНО Re=UBlfl sin(AoVT2hrpt/vCp), (2) lm=UBifl cos(Aco/T 2hrpt/vCp), (3) де 0