Радиолокационное зондирование и разрешающая способность. Сверхширокополосный радиолокатор подповерхностного зондирования. Технические средства поиска спец предметов тпн

Полевые работы 1980-86 гг. по радиолокационному исследованию месторождений торфа и сапропеля проводились при участии автора и по разработанной им методике /23/. За основу был взят опыт радиолокационных профильных съемок, разработанных в РКИИГА, и зондировании, применяемых в ААНИИ.

Методика радиолокационных исследований предусматривает комплексирование двух самостоятельных методов подповерхностной радиолокации, а именно: метод радиолокационного зондирования и метод радиолокационного профилирования. Различия между этими методами состоит в том, что профилирование проводятся вдоль маршрута исследования при неизменном расстоянии между приемной и передающей антеннами. Радиолокационное зондирование предусматривает постепенное увеличение разноса между антеннами в противоположные стороны от точки исследования. Зондирование, по существу, является электроразведочным аналогом МОВ.

Радиолокационное профилирование является основным методом разведки торфяных месторождений. На практике используется две модификации метода: непрерывное и дискретное радиолокационное профилирование. Непрерывное профилирование проводится путем перемещения антенных систем и прибора по маршруту исследования равномерно, без остановок. Для транспортировки обычно используется гусеничный транспортер ГАЗ-71 или снегоход типа "Буран". На небольших, до 500 метров, участках месторождения возможно проведение непрерывного профилирования с использованием носимой модификации георадара С-023. Дискретное профилирование применяется только при невозможности использование транспортных средств, заключается в измерении времен прихода отраженных сигналов и их записи в отдельных точках маршрута исследования. При этом шаг профилирования обычно составляет 10-25метров.

Последовательность работ при разведке торфяного месторождения с применением радиолокационной аппаратуры состоит в следующем.

В начальной точке исследований необходимо максимально точно установить глубину до основной отражающей границы, которой является дно залежи, идентифицировать с ней видимый на экране локатора отраженный сигнал и откалибровать прибор. Для этого необходимо провести механическое зондирование залежи с отборов проб подстилающего грунта, если минеральное дно торфяной залежи сложено плотными песчаными или супесчаными отложениями, а также отсутствует плавный переход от торфа к подстилающему грунту, то за глубину отраженной границы следует принять результат механического зондирования. Если в придонном слое залежи присутствует сапропель, или имеет место плавный переход от торфа к подстилающему грунту, то в начальной точке исследования необходимо провести радиолокационное зондирование.

Радиолокационное зондирование выполняют следующим образом: приемную и передающую антенны устанавливают на поверхности залежи в метру друг от друга. После записи принятых сигналов на магнитную ленту начинают одновременно разносить антенны в противоположное стороны от центра, на расстояние сравнимое с глубиной залегания дна залежи. В начальной и конечной точках измерят время прихода отраженных сигналов.

Скорость распространения электромагнитных волн (V) и глубина (h) отражающей границы вычисляется по формулам:

где:
x 1 и x 2 - расстояние между антеннами,
t 1 и t 2 - время прихода отраженных волн.

При определении t 1,2 могут возникать трудности с выявлением сигнала, отраженного от минерального дна. Для предварительной идентификации отражений следует воспользоваться данными ручного бурения и вычислить время прихода отраженной волны по формуле

Либо воспользоваться таблицами перевода t(нс) в h(м).

После определения расстояния до отражающей границы и скорости распространения волн в залежи следует откалибровать прибор по глубине и начать работу по методу радиолокационного профилирования торфяной залежи. Во время движения транспорта с установленным на нем георадаром, проводится непрерывная запись принятых сигналов. Места пересечения маршрута следования с характерными формами рельефа, в также плановая привязка фиксируется на магнитной ленте путем кратковременного включения калибровочных меток. Каждое включение меток регистрируется в журнале наблюдений.

Вычисление средней глубину торфяной залежи и запасов сырья по радиолокационным данным требует контроля за изменением скорости распространения электромагнитных волн на различных участках месторождения. Для этого необходимо создать опорную сеть непосредственных измерений глубины залежи или радиолокационных зондирований.

Наиболее удобно совмещать точки опорной сети с пунтками отбора проб. Кроме этого пи создании опорной сети необходимо руководствоваться следующими положениями:

• на каждой типовой участок торфяного месторождения должно приходиться не менее двух опорных точек.
• По профилю или магистрали опорные точки должны располагаться не реже чем через 1000м.,
• Опорные точки должны располагаться в местах с разной глубиной залежи,
• При сильной изменчивости глубины залежи точки опорной сети должны находиться в местах с горизонтальным положением дна залежи.

Движение вездехода по торфяному месторождению осуществляется по маршрутам, намеченным согласно инструкции по разведке торфяных месторождений.

Методика разведки месторождений сапропеля, осуществляется в зимний период, аналогично методике, описанной выше. В летний полевой период радиолокационное зондирование заменяются импульсным электромагнитным каротажем.

Методика полевых исследований торфа и сапропеля может быть использована практически без изменений для подповерхностной радиолокации других геологических сред. Но прежде чем начинать полевые работы, необходимо оценить возможности имеющейся аппаратуры /3/. Сделать это можно, основываясь на расчетах, приведенных в разделе3. Специально для оценки пределов возможностей радиолокации для геологических исследований автором были разработаны номограммы. На рис.5.1 представлена номограмма, позволяющая, исходя из длительности зондирующего импульса и скорости распространения электромагнитных волн, определить величину "мертвой зону" локатора (Н).

Ни нижней шкале номограммы отложена длительность зондирующего импульса в наносекундах по вертикали - протяженность "мертвой зоны" в метрах. Номограмма построена в билогарифмическом масштабе для различных значений скоростей от 3.35 до 30 см\нсек и охватывают все случаи изменения скорости, которые можно встретить при изучении геологических сред. По основной номограмме (сплошные линии) можно определить Нм для расположения приемных и передающий антенн в одной точке. При применении разнесенных антенн величина "мертвой зоны" увеличивается, т.к. уменьшается разница прихода прямой и отраженной волны. Для ввода поправок за разнос антенн построено дополнительное семейство пунктирных линий. Исправленные значения глубины "мертвой зоны" показаны на верхней шкале.

Пользоваться номограммой следует так. Пусть длительность излучаемого импульса равна 60 нс., исследования ведутся в среде с V=3.35 см/нсек (отн=80) и применены разнесенные антенны на 2 м антенны. На оси ОХ находим точку 60 нс и восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с прямой с V=3.35 см/нсек. Ордината этой точки есть значение Н=1м. Исправленное значение Нм находим по абсциссе пересечения Нм=1м. И пунктирной линии с индексом 2мЮ на верхней шкале номограммы. В рассмотренном примете окончательное значение глубины "мертвой зоны" равно 1.8 м.

Номограмма универсальна и может быть использована для перевода временных разрезов в глубинные. Для этого необходимо вместо имп. Брать время задержки tотр. отраженного сигнала относительно момента излучения. Аналогично определяется разрешающая способность о дальности.

Реальные значения величины мертвой зоны и разрешающей способности по дальности и могут быть ниже, т.к. радиолокационное профилирование более информативно, чем единичные наблюдения волновой картины.

Оценить максимальную дальность подповерхностной радиолокации можно по номограмме на рис.5.2. Для этого необходимо знать величину удельного затухания радиоволн в исследуемой среде (дБ/м). Если отсутствуют измерения на образцах, значение удельного затухания следует оценить по литературным источникам или воспользоваться графиками перевода омм в дБ/м (рис.5.3, 5.4).

Номограмма на рис52 учитывает влияние на дальность локации только затухания и \геометрических потерь и рассчитана для различных величин потенциала локатора в децибелах.

Для примера использования номограммы приведем оценку максимальной глубины радиолокационного зондирования торфяной залежи. Средние значения радиолокационного зондирования торфяной залежи. Средние значения удельного электрического сопротивления верхового торфа колеблются около 100 Омм, что соответствует значению удельного электрического затухания 4 дБ/м. Значения потенциалов разработанных до настоящего времени радиолокаторов составляют 80-100 дБ. Но номограммам получаем глубиность от 5.5 до 15 м, что хорошо согласуется с данными полевых измерений. Для низинных торфов с затуханием больше 5 дБ/м максимальная глубина зондирования составляет менее 5 м. При этом, если учесть наличие плавных переходов от торфа к подстилающим грунтам, характерным для низинных залежей, то можно сделать вывод о том, что радиолокационные исследования торфяных залежей низинного типа, проводимые по существующей методике, возможны лишь в редких случаях.

Подобное ограничение глубинности метода отрицательно сказывается на его практической полезности, т.к. залежи торфа низинного типа и отложения сапропеля. Имеющего аналогичные электрические свойства, как следует из рассмотрения номограммы, возможно двумя путями, а именно? С помощью увеличения потенциала георадара и уменьшением частоты зондирующих импульсов.

Увеличение потенциала локатора возможно прежде всего за счет применения более мощных генераторов наносекундных импульсов. Но это связано с увеличением габаритов генератора и потребляемой им мощности. Хотя генератор мощностью 200квт весит около 1.5 кг и потребляет 30 Вт для носимых модификаций георадара это не пригодно. для возимых на транспортере вариантов аппаратуры вес и габариты не имеют значения, что делает возможным использование мощных генераторов. Разработанные в настоящее время импульсные генераторы могут развивать мощность, измеряемую гигаваттами, и увеличить потенциал локатора более чем на 60 дБ, т.е. проблемы увеличения глубинности исследования можно решить таким способом.

Другим, более предпочтительным, способом является уменьшение средней частоты зондирующего импульса с 80 МГц до 10-20 Мгц. Но это вызывает увеличение "мертвой зоны! И уменьшение разрешающей способности по дальности, которая становится равной 1.5-1 м, Технически частоту зондирующего импульса снизить проще. Как следует из раздела 4, для этого достаточно увеличить эффективную длину антенны. Хотя удлинение антенн несколько ужесточить требования к генератору и потребует проведения специальной обработки сигналов, этот способ более удобен.

Приведенные номограммы позволяют быстро определить возможности применения имеющейся радиолокационной аппаратуры для решения конкретных геологических задач. А при отсутствии положительного решения определить пути модернизации аппаратуры или оценить возможности использования других георадаров.

Насос Дрейфовые Направление кольца ионного тока

Источник ионизации (коронный разряд)

Коллектор

Забор воздуха (пробы )

Запирающая сетка (ионный затвор )

Система ци клической продувки области дрейфа

Направление циркуляции газа в системе циклической продув

Работа прибора (в режиме «А») : 1.Проба воздуха через отверстие « Забор воздуха(пробы)» с пом. вихревого эффекта (дрейф), создаваемого вентилятором, попадает в ионизатор 2. В ионизаторе с помощью источника ионизации воздух частично ионизируется (атомы превращаются в заряженные частицы- ионы) Не заряженные молекулы воздуха откачиваются насосом 3. Ионы через запирающую сетку попадают в дрейфовую трубку и под действием э/тока двигаются к коллектору с различной скоростью в завис от размеров, степени поляризации. Это позволяет построить ионный спектр определенного ЦВ, по кот он и определяется. При этом подается сигнал «тревога» и включается световой сигнал. Т.к. пары имеют высоко испаряемые ЦВ, они в режиме «А» детектируются без нагрева. 4. Для ЦВ с низк. испаряемостью- режим «АКН»: применяется нагреватель воздуха (Н) и концентратор для накапливания паров (К) – Для малолетучих веществ – исп. режим «Н»- с прим. нагревателя для повышения летучести.

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием одиночных сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов и может быть использовано при зондировании нескольких, близкорасположенных объектов, например слоев асфальтового покрытия. Способ заключается в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал, интегрируют его N-1 раз в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности разрешающей способности СШП зондирования. 6 ил.

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов длительностью Т и может быть использовано при зондировании нескольких объектов, расстояние между которыми L сопоставимо с сТ, где с - скорость света в среде, т.е. в условиях, когда сигналы, отраженные от нескольких объектов исследования, накладываются друг на друга. Такая проблема возникает, например, при зондировании подповерхностных слоев грунта, в частности многослойного асфальтового покрытия дорог.

Известно , стр.24, что любой сигнал S(t), который может быть излучен антенной, должен удовлетворять условию:

В том числе одиночный многолепестковый зондирующий радиолокационный СШП сигнал.

При СШП радиолокационном зондировании нескольких близкорасположенных объектов исследования возникает проблема разрешения сигналов, принятых от одного и другого объектов. Эта проблема усугубляется наличием помех, несовершенством приемо-передающей аппаратуры и множеством других факторов.

Традиционным способом предварительной обработки радиолокационного сигнала, отраженного от объекта исследования, является его детектирование - выделение низкочастотной функции - амплитудной (комплексной) огибающей радиоимпульса. При работе с СШП сигналами амплитудная огибающая СШП сигнала, полученная при помощи преобразования Гильберта, не всегда корректно отображает особенности его формы стр.17. При этом не реализуется потенциально высокая разрешающая способность СШП сигналов.

Известен Патент RU 2141674 - способ радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, одной антенной излучают импульс, принимают этот импульс другой - удаленной антенной, принятый импульс задерживают, переизлучают и принимают антенной, расположенной в месте первичного излучения. Этот способ позволяет разнести во времени сигналы, полученные от антенны и от окружающих ее конструктивных элементов. При таком способе проблема разрешения решается за счет временного разнесения отраженных сигналов.

Недостатком такого способа является ограниченная область применения, связанная с тем, что возможность искусственного разнесения во времени отраженных сигналов от нескольких объектов исследования возникает редко.

Наиболее близким к заявляемому способу является , заключающийся в том, что излучают N-лепестковый, зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Для решения задачи разрешения определяют:

Сигнал прямого прохождения от излучающей к приемной антенне (при зондировании открытого пространства), который вычитают из принятого сигнала при последующих зондированиях среды;

Сигнал полного отражения при зондировании металлического листа, который используют для калибровки последующих зондирований.

Из сигнала, полученного от объектов исследований, вычитают сигнал прямого прохождения. Затем поочередно обнаруживают наиболее близкий отклик, и с учетом ослабления известного сигнала полного отражения вычитают его из принятого сигнала. Таким образом, теоретически возможно разрешить принятые сигналы.

Недостатком данного способа является низкая точность. Во-первых, сигнал, прошедший через среду, изменяет частотный спектр, а следовательно, не только амплитуду, но и свою форму. В результате оказывается неправомочным использовать сигнал полного отражения в качестве калибровочного. Во-вторых, рекурсивный характер обработки, при котором каждый новый объект обнаруживается по результатам обнаружения предыдущего, приводит к накоплению ошибок.

Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение разрешающей способности СШП зондирования, отраженных от близкорасположенных объектов, а следовательно, получение большего количества и лучшего качества информации от радиолокационного зондирования.

Для решения поставленной задачи в способе повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающемся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования, интегрируют отраженный сигнал в выбранном временном окне N-1 раз, и используют результаты интегрирования для обнаружения и оценки сигналов от объектов исследования.

Существенным отличием заявляемого способа от прототипа является то, что при зодндировании N-лепестковым радиоимпульсом интегрируют отраженный сигнал в выбранном временном окне N-1 раз.

В прототипе используют операцию вычитания известных откликов из принятого сигнала.

Использование N-1 кратного интегрирования - линейного метода преобразования принимаемых сигналов, позволяет преобразовать их многолепестковую временную структуру в однолепестковую. На фиг.1 показано, что трехлепестковый радиоимпульс после однократного зондирования становится двухлепестковым, а после второго интегрирования - однолепестковым. Если бы такой импульс мог быть излучен антенной, то задача разрешения близкорасположенных объектов значительно упростилась. Интегрирование принятого сигнала для линейной системы эквивалентно интегрированию входного сигнала. Таким образом, интегрирование выходного сигнала значительно упрощает разрешение близкорасположенных объектов.

Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы.

Фиг.1 - результаты последовательного интегрирования трех лепесткового сигнала.

Фиг.2 - парциальные сигналы, отраженные от трех объектов.

Фиг.3 - суммарный сигнал, отраженный от трех объектов.

Фиг.4 - результат однократного интегрирования отраженного сигнала.

Фиг.5 - результат двухкратного интегрирования отраженного сигнала.

Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.

При радиолокационном зондировании могут использоваться одиночные радиоимпульсы с малым числом временных лепестков N=2-5, например трехлепестковый импульс S(t), изображенный на фиг.1. Такие сигналы обладают СШП спектром. Их обработка возможна в частотной или во временной области. В обоих случаях необходимо обнаружить сигналы, отраженные от объектов исследования, оценить их амплитуду, полярность, временное положение и другие параметры. Такие зондирования используются, например, при исследовании слоев дорожного покрытия. При этом объектами исследования являются границы слоев покрытия, отражающие зондирующий сигнал и обладающие разными диэлектрическими проницаемостями ε. В зависимости от соотношения диэлектрических проницаемостей ε сред отраженные сигналы могут иметь разную полярность.

Если объекты исследования (слои дорожного покрытия) расположены близко друг от друга, то отраженные сигналы накладываются друг на друга. На фиг.2 показаны парциальные сигналы S 3i (t), (i=1, 2, 3), отраженные от трех разных слоев. Каждый из них имеет свою амплитуду и форму. Сигнал S 32 (t) имеет обратную полярность. Суммарный отраженный сигнал S 3 (t)=S 31 (t)+S 32 (t)+S 33 (t), фиг.3, малопригоден для анализа. Для решения задачи разрешения можно уменьшить длительность зондирующего сигнала S(t), однако это приведет к неоправданному возрастанию стоимости разработки или к технической нереализуемости.

Однократное интегрирование отраженного от объектов сигнала

Фиг.4 не решает проблему разрешения, а повторное интегрирование

Фиг.5, позволяет достаточно точно оценить, как временное положение, полярность и амплитуду отраженных сигналов. Указанная оценка может быть получена визуально или с использованием компьютера.

Заметим, что при помощи предлагаемого линейного преобразования восстановление соотношения амплитуд парциальных сигналов и расстояния между ними возможно даже в случае, когда сигналы задержаны относительно друг друга на время, меньшее длительности периода центральной гармоники спектра сигнала, т.е. в условиях реализации потенциальной разрешающей способности по дальности .

Таким образом, заявляемый способ позволяет при СШП радиолокационном зондировании обнаружить объекты исследования, приближаясь к потенциальной разрешающей способности.

Рассмотрим возможность практической реализации заявляемого способа. На фиг.6 изображена схема устройства, реализующего заявляемый способ, где:

1. Генератор СШП сигнала.

2. Передающая антенна.

3. Приемная антенна.

4. Исследуемая многослойная среда.

5. Стробоскопический приемник.

6. Управляемая линия задержки.

7. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

8. Компьютер.

По сигналу от компьютера 8 запускается генератор СШП сигнала 1, который излучается антенной 2. СШП сигнал, отраженный от исследуемой многослойной среды 4, поступает в антенну 3. Управляемая компьютером 8 линия задержки 6 запускает стробоскопический приемник 5, который выделяет одну мгновенную амплитуду отраженного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь 7 преобразует эту величину в код, который считывается компьютером 8. Частота запуска генератора 1 может составлять десятки килогерц, что не требует высокого быстродействия АЦП 7. Величина задержки 6 задает окно приема и положения точки отсчета в нем. Многократно повторяя измерения, можно усреднить значения этого отсчета отраженного сигнала, а изменяя величину задержки, - получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне с точностью до масштабно-временного преобразования. Таким образом, в результате многократного зондирования в памяти компьютера 8 сохраняются мгновенные амплитуды отраженного сигнала в окне приема. Интегрирование полученных цифровых отсчетов производится путем последовательного суммирования отсчетов, а многократное - последовательным применением этой процедуры. На фиг.1-5 по оси абсцисс отложены номера отсчетов СШП сигнала. Полученные результаты интегрирования могут быть обработаны оператором визуально, либо известными методами обработки в компьютере 8.

Таким образом, предлагаемый способ технически реализуем и позволяет повысить разрешающую способность радиолокационного сверхширокополосного зондирования.

Список использованной литературы

1. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М.: Радио и связь, 1989. - 192 с.: ил.

2. Патент RU 2141674.

3. Патент FR 2626666.

4. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е.Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.

Формула изобретения

Способ повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, где N=2, 3, 4, 5..., непрерывно принимают отраженные сигналы в выбранном временном окне, обнаруживают сигналы от объектов исследования, измеряют и оценивают параметры сигналов, отраженных от объектов исследования, отличающийся тем, что зондирование объекта исследования N-лепестковым радиоимпульсом осуществляют многократно, при приеме отраженных сигналов управляемой величиной задержки задают окно приема с возможностью получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне и положения точки отсчета в нем, интегрируют полученные отсчеты отраженного сигнала в выбранном временном окне приема N-1 раз, преобразуя N-лепестковую временную структуру сигнала в однолепестковую, обеспечивающую разрешение близкорасположенных объектов исследования, используют результаты интегрирования для обнаружения объектов исследования, измерения и оценки параметров сигналов от объектов исследования.