Спосіб підповерхневого радіолокаційного зондування

Реферат: Винахід належить до галузі радіотехніки, радіолокації, зокрема до пристроїв вимірювання дальності (радіодальномірів) та підповерхневого зондування корисних копалин, підземних інженерних комунікацій та неоднорідностей. Спосіб підповерхневого радіолокаційного зондування полягає у зондуванні об'єктів вимірювання гармонійними сигналами у заданому діапазоні частот, вимірюванні амплітуд і фазових зсувів сумарних сигналів, відбитих від усіх об'єктів на усіх зондуючих частотах, розрахунку дальностей та коефіцієнтів відбиття усіх об'єктів, знаходженні фазових зсувів та амплітуд сигналів, відбитих від кожного підповерхневого об'єкта, розрахунку дальності та коефіцієнта відбиття кожного об'єкта. Технічним результатом винаходу є підвищення точності та розрізнювальної здатності визначення глибин залягання під поверхневих об’єктів та меж розділення шарів. UA 106715 C2 (12) UA 106715 C2 UA 106715 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до області радіотехніки, радіолокації, зокрема до пристроїв вимірювання дальності (радіодальномірів) та підповерхневого зондування корисних копалин, підземних інженерних комунікацій та неоднорідностей. Відомо, що підповерхневе радіолокаційне зондування включає випромінювання неперервного частотно-модульованого сигналу, приймання відбитого сигналу та вимірювання частоти биття між випромененим і відбитим сигналами, яка є функцією дальності. При симетричному пилкоподібному законі модуляції з періодом Tм на виході приймача виділяють перетворений (обвідну биття) сигнал з періодом Tм , в якому стрибки фази відбуваються через Tм / 2 . Частота коливань (частота биття) в межах більшої частини кожного інтервалу Tм / 2 дорівнює: 4D fмFм , (1) Fбо  D c де Dfм - девіація частоти (різниця між максимальною і мінімальною миттєвими частотами); Fм  1/ Tм - частота модуляції; с - швидкість світла у вакуумі; D - відстань до цілі. Спектр такого сигналу при достатньо великій тривалості вимірювання складається з дискретних спектральних ліній з періодом Tм , розташованих на частотах nFм . Максимум обвідної дорівнює Fбо і не обов'язково збігається з nFм , оскільки частота биття може бути не кратною Fм (М.И. Финкельштейн, А.Л. Мендельсон, В.А. Кутев /Радиолокация слоистых земных покровов //Под ред. М.И. Финкельштейна. М.: Сов. радио - 1977 М., Советское радио, 1977. 176 с). Недоліком даного під поверхневого радіолокаційного зондування є властива йому постійна похибка вимірювання відстаней, зменшення якої може досягатися збільшенням девіації Dfм частоти. Однак при цьому не забезпечується потрібна точність вимірювання малих відстаней. Відомі спеціальні методи зменшення постійної похибки призводять до ускладнення схеми і конструкції радіолокатора та до збільшення тривалості аналізу. Аналогом пристрою є патент на винахід (С.А. Жуков, Б.М. Бахвалов, В.О. Осипа //Спосіб вимірювання глибини залягання об'єкта у землі. Патент про винахід UA №15171, 30.06.1997, опубл. Бюл № 3, 1997) підповерхневого радіолокаційного зондування, який включає випромінювання імпульсного несинусоїдального зондувального сигналу у вигляді періодичної послідовності відеоімпульсів тривалістю імпульсу менш ніж 1 нс, приймання відбитого від підземного об'єкта ехо-сигналу і вимірювання його тривалості. Глибину залягання об'єкта в землі визначають шляхом розв'язання трансцендентного рівняння, яке пов'язує глибину залягання об'єкта в землі з тривалістю імпульсу ехо-сигналу. Діелектрична проникність і провідність ґрунту на відповідній частоті при розв'язанні рівняння вважаються відомими. Недолік пристрою-аналога підповерхневого радіолокаційного зондування є те, що точність визначення глибини залягання неоднорідностей залежить від достовірності апріорної інформації щодо літологічного складу порід та їх електричних характеристик, оскільки при розв'язанні трансцендентного рівняння припускається, що діелектрична проникність e і провідність s ґрунту, які входять до рівняння, відомі. Проте апріорна інформація, одержана відомими методами, наприклад, бурінням або за допомогою датчиків, має доволі велику похибку, оскільки вибірка зразків здійснюється дискретно і з порушенням природного стану ґрунту. Прототипом пристрою є частотний спосіб вимірювання дальностей (Спосіб підповерхневого радіолокаційного зондування / Л.М. Дорохова, В.В. Кузьмін, Н.П. Куранов, В.Г. Сугак //Патент про винахід UA № 68520А України, МПК G01 V 3/1268520, опубл 16.08.2004. Бюл. № 8, 2004). Спосіб передбачає формування лінійно-частотного модульованого сигналу (ЛЧМ-сигналу). Внаслідок часової затримки відбитого сигналу відносно зондуючого спостерігається постійний частотний зсув f . Знаходження дальності відбувається за виразом: cfб R (2) 4fДFм З метою підвищення точності та розрізнювальної спроможності визначення глибин залягання підповерхневих об'єктів та границь розділення шарів, визначають функціональну залежність зміни швидкості розповсюдження радіохвиль у підповерхневих середовищах. Для цього, в першу чергу, вимірюють функціональну залежність згасання відбитого сигналу від частоти в зондувальному середовищі  . Після отримання цієї залежності, визначають 1 UA 106715 C2 функціональну залежність діелектричної проникності ґрунту від частоти, причому цю залежність визначають шляхом розв'язання рівняння [5]: 2 в x   2   2    1, (3)  2 2 dx   x  40  2  02 н де x  - функціональна залежність питомої провідності від частоти, яка входить в підінтегральний вираз; x - змінна інтегрування;  - миттєве значення кутової частоти;  - функціональна залежність питомої провідності зондувального шару від частоти при x  ; н і в - нижня і верхня межі заданого діапазону частот, відповідно;  0 - діелектрична проникність вакууму. Наступним кроком є розрахунок залежності діелектричної проникності ґрунту від частоти, використовуючи значення  , за формулою:  5 10 2 в x  (4) dx   1 ,    x 2  2 н де  - функціональна залежність дійсної частини комплексної діелектричної проникності ґрунту від частоти. Розрахунок швидкості поширення радіохвиль у середовищі для кожного із шарів проводять за формулою:  15     0  1  20 25 30  2  2  0 2 1 . (5) Даний спосіб дозволяє підвищити точність знаходження глибин залягання підповерхневих об'єктів та границь розділення шарів ґрунту, води, нафтових лінз, водонасичених шарів тощо, за рахунок більш точного визначення функціональних залежностей розповсюдження радіохвиль у підповерхневих середовищах. Недолік прототипу є значний частотний діапазон для забезпечення достатньої точності та розрізнювальної спроможності, складність математичної моделі для розрахунку дальностей та характеристик підповерхневих об'єктів. В основу винаходу поставлено задачу підвищення точності вимірювання дальності до границь розділення підповерхневих шарів та їх електрофізичних властивостей. Ознаки винаходу: глибина залягання підповерхневих об'єктів; границі розділення шарів; зондуючий сигнал; моделюючий сигнал; амплітудна модуляція; амплітудна демодуляція; коефіцієнти відбиття. Спільними ознаками винаходу та прототипу є глибина залягання підповерхневих об'єктів та границі розділення шарів. Відмінність винаходу від прототипу наведена в таблиці. Таблиця Порівняння винаходу та прототипу за ознаками Ознаки глибина залягання підповерхневих об'єктів границі розділення шарів зондуючий сигнал моделюючий сигнал амплітудна модуляція амплітудна демодуляція коефіцієнти відбиття 35 Прототип так так так ні ні ні так Винахід так так так так так так так Визначення термінів, які використовуються при описі винаходу: зондуючий, моделюючий сигнал, амплітудна модуляція, амплітудна демодуляція, фазовий зсув. 2 UA 106715 C2 5 10 15 20 25 30 Спосіб здійснюється наступним чином. Підповерхневе середовище зондується по вертикальній осі сигналами з лінійно-частотною модуляцією із покроковою зміною частоти у вузькому діапазоні частот. Схема зондування наведена на фіг. 1. Кількість частот повинна бути в два рази більшою за кількість границь розділення підповерхневих шарів. Проводиться вимірювання фазових зсувів та амплітуд сумарних сигналів відбитих від усіх границь розділення підповерхневих шарів. За допомогою математичної моделі багаточастотного фазового способу [4] розраховуються дальності та коефіцієнти відбиття усіх границь розділення підповерхневих шарів за формулами:        l1  1 , l2  2 , l3  3 ,, ls  s . (6) 4f 4f 4f 4f A3 A A1 A2 k1  ,k 2  ,k3  ,, k s  s . (7) a a a a У виразах (1) швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль у різних середовищах прийнята однаковою. Проте в різних середовищах вона різна. Для уточнення результатів вимірювань необхідно визначити реальні значення швидкостей розповсюдження електромагнітних хвиль в різних підповерхневих середовищах. Для цього виконуються наступні вимірювання та обчислення. Для визначення швидкості розповсюдження електромагнітної хвилі у верхньому шарі, проводиться зондування шару по горизонтальній осі між двома точками, розташованими на заданій відстані lоп . Схема зондування наведена на фіг. 2. В результаті вимірювання фазового зсуву в им між зондуючим гармонійним сигналом на частоті fоп та прийнятим сигналом отримуємо, можна розрахувати значення швидкості розповсюдження електромагнітної хвилі в першому підповерхневому шарі: 2  lоп  fоп . (8) 1  в им Використовуючи значення швидкості розповсюдження радіохвилі в першому підповерхневому шарі, розраховується значення дійсної частини діелектричної проникності: c .  (9) Re 1  1  1 Вимірюючи амплітуду сигналу, що надійшов на прийомну антену A прий , та знаючи амплітуду сигналу, що випромінюється передавальною антеною Aв ип , розраховується значення питомого згасання в першому підповерхневому шарі, за виразом: A прм 1 . (10) 1   ln lоп A в ип Розрахунок дальності до границі розділення першого і другого шару проводимо за виразом:  (11) l1y  1 1 . 4 f В цей вираз підставляємо значення швидкості розповсюдження радіохвилі, яка розрахована відповідно до виразу (8). Використовуючи значення питомого згасання 1 та розрахованої дальності l1y , знаходиться значення амплітуди сигналу, що прийшов до границі розділення першого та другого підповерхневих шарів за виразом: (12) A в ип21  A в ипe  1l оп Наступним кроком є розрахунок амплітуди сигналу, що відбитий від границі розділення першого та другого підповерхневих шарів, використовуючи значення амплітуди сигналу відбитого від першої границі A1 , що прийшов до прийомної антени, за виразом: A при21  35 A1   1l оп . (13) e За отриманими значеннями розраховується коефіцієнт відбиття від першої границі розділення двох середовищ: A прм21 . (14) K в ід21  A в ип21 3 UA 106715 C2 Використовуючи значення коефіцієнта відбиття від першої границі та діелектричної проникності першого шару, розраховується дійсна частина діелектричної проникності другого шару за виразом: 5 10   K в ід21  12 .   1 (15) 2 Kв ід21  12 Використовуючи значення дійсної частини діелектричної проникності другого шару, розраховується швидкість розповсюдження другого шару: c . (16) 2   2 Розрахунок глибини до границі розділення другого і третього шарів проводиться за виразом:   1 2 . (17) l2  l1  2 4f Розраховується значення коефіцієнта проходження першої границі за виразом: K пр21  1  K в ід21 . (18) Використовуючи табличні дані [5] за значенням дійсної частини діелектричної проникності, визначається матеріал другого шару та вибирається значення провідності шару  2 . Використовуючи значення провідності, розраховується значення згасання в другому шарі:   2   2    2f 2 .  2    1   2f    1  c 2  0 2     За виразом: K в ід32  15 a2 e21l1   2 l2 l1  ,  a 1 Kв ід212 (19) (20) розраховується значення коефіцієнта відбиття від другої границі розділення підповерхневих шарів. Продовжуючи аналогічні міркування, для знаходження дійсної частини діелектричної проникності s -го шару використовується вираз:    1  K в ідs,s 1  1 2 s , (21) K в ідs,s 1  12 де коефіцієнт відбиття від s-1-ї границі знаходиться за виразом:   s as e21l   2 l 2 l1   3 l3 l 2   s ls l s1  (22)  a 1  k1  1  k 2     1  K в ідs1,s  2 2 Швидкість розповсюдження радіохвилі s-го шару: c . (23) s   s Дальність до s-1-ї границі:   s 1  s (24) ls  ls 1  s 4 f Перевагою даного способу є можливість послідовного визначення електрофізичних параметрів підповерхневих шарів від верхнього до останнього, що дає змогу точно визначати швидкості розповсюдження електромагнітних хвиль в цих шарах та розраховувати точні значення товщин шарів. Для практичної реалізації способу можна застосовувати будь який георадіолокатор, що працює ґрунтуючись на використанні багаточастотного базового способу вимірювання дальності об'єктів. Приклад виконання. Нехай підповерхневе середовище має чотири шари. Перший шар суглинок сірий, у якого 10 % вологості. Другий шар - пісок вологий 16 % вологості. Третій шар суглинок каштановий 10 % вологості. Четвертий шар - глина 12 % вологості. Діелектричні проникності та коефіцієнти згасання кожного шару відповідно: перший шар - 1  7, 1  15.5 ; другий шар - 2  9, 2  6.5 ; K в ідs,s 1  20 25 30 4 UA 106715 C2 5 третій шар - 3  10, 3  4.5 ; четвертий шар -  4  12,  4  20 . Зондуючий сигнал відбивається від границь розділення шарів. Цих границь чотири. Відповідно до математичних виразів багаточастотного фазового методу вимірювання дальностей кількість зондуючих частот повинна бути в два рази більшою за кількість об'єктів вимірювання. Тому зондуючих частот вісім. При зондуванні гармонійними сигналами з початковою частотою 1 МГц із кроком 10 кГц, сумарні сигнали набудуть фазових зсувів та амплітуд: 1  119 .48 , a 1  9.52  10 13 Вт ; 10 2  116 .34 , a 2  9.48  10 13 Вт ; 3  113 .20 , a 3  9.45  10 13 Вт ;  4  110 .07 , a  4  9.41  10 13 Вт ; 5  106 .94 , a 5  9.37  10 13 Вт ; 6  103 .81 , a 6  9.33  10 13 Вт ; 15 20 25 30 7  100 .69 , a 7  9.29  10 13 Вт ; 8  97 .58 , a 8  9.26  10 13 Вт . Після застосування математичних виразів розрахунку фазових зсувів сигналів відбитих від кожного об'єкта відповідно до [4], отримуємо фазові зсуви відбиті від кожної з чотирьох границь розділення підповерхневих шарів: 1  1.63; 2  3.19; 3  4.32; 4  6.65. Після розрахунку глибин границь розділення шарів отримуємо значення: l1  70 м;l2  133 м; l3  180 м;l4  277 м . Ці значення не співпадають із початковими значеннями. Після врахування швидкостей розповсюдження радіохвилі в кожному з середовищ, вираз (24), отримуємо: l1  10.0 м; l2  17.0 м; l3  21.7 м; l4  29.78 м . Отримані значення співпадають із початковими з похибкою не більше 0.78 м. Технічний результат: спосіб підповерхневого радіолокаційного зондування дозволяє горизонтальне зондування на заданій відстані в першому підповерхневому шарі, визначити швидкість розповсюдження електромагнітної хвилі в першому середовищі, із урахуванням уточненого значення швидкості радіохвилі, розраховувати дальність до границі розділення першого та другого шару, знаходити уточнене значення коефіцієнта відбиття від першої границі розділення шарів, із використанням коефіцієнта відбиття та значення діелектричної проникності матеріалу першого шару визначити діелектричну проникність другого шару, значенням якої знаходять провідність матеріалу другого шару, подальше знаходження дальності границь розділення підповерхневих шарів. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 Спосіб підповерхневого радіолокаційного зондування, що полягає у зондуванні об'єктів вимірювання гармонійними сигналами у заданому діапазоні частот, вимірюванні амплітуд і фазових зсувів сумарних сигналів, відбитих від об'єктів на усіх зондуючих частотах, який відрізняється тим, що шляхом горизонтального зондування на заданій відстані в першому підповерхневому шарі визначають швидкість розповсюдження електромагнітної хвилі в першому середовищі, із урахуванням уточненого значення швидкості електромагнітної хвилі, розраховують дальність до границі розділення першого та другого шару, знаходять уточнене значення коефіцієнта відбиття від першої границі розділення шарів, із використанням коефіцієнта відбиття та значення діелектричної проникності матеріалу першого шару, знаходять діелектричну проникність другого шару, за значенням якої знаходять провідність матеріалу другого шару, подальше знаходження дальності границь розділення підповерхневих шарів проводиться за виразом:   s1  s , ls  ls1  s 4f 5 UA 106715 C2 Kв ідs,s 1  5 10 as e21l  2 l2 l1   3 l3 l2   s  s1  , де  a 1  k1  1  k 2     1  Kв ідs1,s2 2 ls - дальність до s-ї границі, φs - фазовий зсув сигналу при відбитті від s-ї границі, vs - швидкість розповсюдження електромагнітної хвилі у s-му шарі, f - частота сигналу, K в ідs,s 1 - коефіцієнт відбиття від s-1-ї границі, αs - значення згасання у s-му шарі, α - початкова амплітуда сигналу, αs - амплітуда сигналу, відбитого від s-ї границі, ks - коефіцієнт відбиття від s-ї границі. 6 UA 106715 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7