EA002451B1 - Радиолокационная установка и способ измерения для определения ориентации и глубины объекта, находящегося под землей - Google Patents

Abstract

Установка для генерирования информации, указывающей глубину и ориентацию объекта, расположенного под поверхностью земли, предназначена для использования электромагнитного излучения, излучаемого и принимаемого антенной системой, связанной с установкой. Установка содержит передатчик и приемник соответственно для генерирования электромагнитного излучения совместно с антенной системой и для приема электромагнитного излучения, отраженного от объекта, совместно с антенной системой. Антенная система содержит множество индивидуальных антенных элементов, имеющих, по существу, линейную поляризацию, преимущественно дипольных антенн, которые размещены по отношению к геометрическому центру антенной системы так, что каждый из центров антенных элементов смещен относительно геометрического центра антенной системы, при этом установка содержит средство для вращения механическим или электронным способом антенной системы и тем самым поляризации электромагнитного поля вокруг или относительно геометрического центра антенной системы.

Description

Настоящее изобретение относится к способу обнаружения объектов в земле с использованием георадиолокаторов. Более конкретно, изобретение относится к установке для получения информации, указывающей на глубину и ориентацию объекта, находящегося под поверхностью земли, причем указанная установка предназначена для использования электромагнитного излучения, передаваемого и принимаемого антенной системой, связанной с установкой, содержащей передатчик и приемник соответственно для формирования электромагнитного излучения во взаимосвязи с упомянутой антенной системой и для приема электромагнитного излучения, отраженного от объекта, также во взаимосвязи с упомянутой антенной системой. Известны многочисленные технические решения и варианты осуществления таких наземных радиолокационных установок и различные варианты осуществления способов получения информации о глубине и положении указанного объекта путем его обнаружения с использованием наземных радиолокаторов. Примеры подобных технических решений описаны в следующих патентах США: 5 339 080, 5 192 952, 5 499 029, 4 504 033, 5 352 095, 4 430 653, 4 698 634, 4 062 010, 4 839 654 и 5 130 711. В частности, в патенте США № 4 728 897 описан способ, использующий антенную систему, в которой набор диполей расположен симметрично относительно общего центра и выполнен с возможностью качания механическим или электронным способом для генерирования и приема электромагнитного излучения. Данная технология обеспечивает возможность сбора необходимой информации о положении и ориентации объекта рассматриваемого типа, однако данный способ имеет потенциальные возможности для усовершенствования и модификации для повышения эффективности генерирования информации упомянутого типа и, тем самым, для обеспечения более надежной идентификации глубины и ориентации обнаруживаемого объекта.

Задачей настоящего изобретения является создание наземной радиолокационной установки вышеописанного типа, которая обеспечивает улучшенные функциональные возможности в отношении идентификации объектов рассматриваемого класса по сравнению с техническими решениями, известными из предшествующего уровня техники, и, следовательно, обеспечивает реализацию улучшенного способа измерений по сравнению с техническими решениями, известными из предшествующего уровня техники.

Указанный результат, а также иные цели, преимущества, признаки настоящего изобретения, поясняемые в нижеследующем детальном описании, достигаются с помощью установки вышеупомянутого типа, характеризующейся тем, что она предназначена для использования электромагнитного излучения, передаваемого и принимаемого антенной системой, связанной с уста новкой, и содержит передатчик и приемник соответственно для генерирования электромагнитного излучения совместно с упомянутой антенной системой, а также для приема электромагнитного излучения, отраженного от объекта, во взаимосвязи с упомянутой антенной системой, отличающейся тем, что антенная система содержит множество индивидуальных дипольных антенн, которые размещены по отношению к геометрическому центру антенной системы так, что центры различных дипольных антенн смещены относительно геометрического центра антенной системы, и установка имеет средство для вращения механически или электронным способом антенной системы вокруг или относительно геометрического центра антенной системы. Реализация антенной системы, соответствующей настоящему изобретению, в виде множества дипольных антенн, смещенных относительно геометрического центра антенной системы, обеспечивает существенно более сложную характеристику излучаемого электромагнитного излучения и в то же время более точный и детальный прием электромагнитного излучения, что обеспечивает возможность достижения существенного усовершенствования способа измерения.

Антенная система, соответствующая изобретению, может быть выполнена, согласно двум альтернативным вариантам осуществления, таким образом, что индивидуальные дипольные антенны расположены радиально от геометрического центра антенной системы, причем центры различных дипольных антенн расположены со смещением относительно геометрического центра антенной системы, в частности, центры различных дипольных антенн расположены на окружности или на различных окружностях с разными радиусами, причем геометрический центр антенной системы совпадает с центрами упомянутых окружностей, либо различные дипольные антенны могут, как вариант, формировать треугольную конфигурацию, расположенную симметрично относительно геометрического центра антенной системы, т.е. диполи расположены треугольником, а вершина треугольника расположена в геометрическом центре антенной системы, либо составную треугольную конфигурацию, расположенную симметрично относительно геометрического центра антенной системы. В качестве альтернативы эти два варианта выполнения дипольной антенны могут быть объединены с обеспечением другой диаграммы направленности, либо могут также использоваться другие конфигурации, отличные от треугольной, например конфигурации в форме квадрата, или многоугольника, или комбинации нескольких различающихся многоугольных конфигураций.

Индивидуальные антенные элементы антенной системы установки, соответствующей настоящему изобретению, могут образовывать параллельно ориентированные наборы передатчика и приемника, или, как вариант, индивидуальные антенные элементы антенной системы могут быть одинаково поляризованы или ортогонально поляризованы. Эти специальные признаки позволяют использовать широкое разнообразие вариантов осуществления.

Установка, соответствующая настоящему изобретению, может содержать средство для обеспечения вращения антенной системы и, тем самым, обеспечивать вращения антенной системы с помощью механических или электронных средств. Предпочтительно в настоящем изобретении используется электронное вращение для обеспечения управления вращением с высокой точностью при существенном снижении полного веса установки. Электронное вращение может быть обеспечено введением сдвига между отдельными антенными элементами антенной системы, что обеспечивает поляризацию электромагнитного поля относительно геометрического центра с угловыми приращениями в типовом случае порядка 22,5°, 30°, 36° или долей или целых кратных величин этих углов.

Антенная система установки, соответствующей настоящему изобретению, может в соответствии с одним из вариантов осуществления генерировать электромагнитное излучение и принимать электромагнитное излучение на нескольких отдельных частотах, предпочтительно в диапазоне от 100 МГ ц до 1 ГГц шагами по 5 МГ ц. При этом обеспечивается преимущество, состоящее в обеспечении широкого спектра отражений.

Установка, соответствующая настоящему изобретению, может содержать средство обработки сигналов для измерения передаточной функции, например передаточной функции по напряжению, передаточной функции по току или их комбинаций, или передаточных функций по мощности для сигналов, соответствующих излучению, переданному антенной системой, по отношению к излучению, принятому антенной системой. В настоящем изобретении предпочтительно измеряется передаточная функция по напряжению для связанных значений углового изменения антенной системы и частоты сигнала, излученного антенной системой, и сигнала, принятого антенной системой.

Средство обработки сигналов установки, соответствующей настоящему изобретению, может выполнять преобразование из частотной области во временную область с использованием преобразования Фурье или с применением математической экспоненциальной модели с соответствующей рациональной передаточной функцией для передаточной функции, связанной с конкретным углом, для генерирования непрерывной во времени функции для каждого угла, которая вычисляется в предварительно определенное число дискретных моментов времени при идентичных моментах вычисления для каждого угла. Кроме того, средство обработки сигналов может выполнять преобразование из частотной области во временную область путем преобразования Фурье или с использованием математической экспоненциальной модели с соответствующей рациональной передаточной функцией для каждой угловой гармоники, зависящей от времени непрерывной во времени функции в предварительно определенное количество дискретных моментов времени при идентичных моментах вычислений для каждой угловой гармоники, генерирование набора чисел, соответствующих математической функции, имеющей дискретные угловые гармоники и дискретные моменты времени в качестве независимых переменных. Это обеспечивает надежное определение уровня и задержек по времени для основных отражателей даже при отсутствии идеальных условий.

Средство для обработки сигналом установки, соответствующей настоящему изобретению, может выполнять анализ сигналов посредством преобразования Фурье над каждым из используемых моментов, связанных с каждым углом, непрерывно во времени, причем функция использует время в качестве постоянной и угол в качестве независимой переменной для генерирования представления в области углов. Кроме того, средство для обработки сигналов может выполнять анализ сигналов с помощью преобразования Фурье для каждой частоты, причем частота используется как постоянная, а угол как независимая переменная для генерирования набора чисел с использованием угловых гармоник и частоты измерений в качестве независимых переменных. Назначением применения преобразования Фурье является выделение содержимого угловых гармоник сигнала при различных временных задержках (и глубинах).

В установке, соответствующей настоящему изобретению, средство обработки сигналов может выполнять различные операции над обрабатываемыми сигналами. Средство обработки сигналов может предпочтительно выполнять сканирование локальных и глобальных максимумов, указывающих периодические по углу отражения от объектов, при представлении в области углов, причем пиковые значения указывают на временную задержку соответствующих отражений от объекта. Кроме того, средство обработки сигналов может выполнять вычисления углового положения относительно антенной системы для периодических по углу отражений, а также средство обработки сигналов может осуществлять использование собранных результатов измерений, выполненных в процессе перемещения по горизонтали, для подавления мешающих отражений.

Настоящее изобретение также относится к способу генерирования информации, указывающей на глубину и ориентацию объекта, расположенного под поверхностью земли, причем этот способ характеризуется тем, что включает использование электромагнитного излучения, передаваемого и принимаемого антенной системой посредством передатчика и приемника соответственно для формирования во взаимосвязи с антенной системой электромагнитного излучения и для приема электромагнитного излучения, отраженного от объекта, с помощью антенной системы, и отличается тем, что для передачи и приема электромагнитного излучения используется множество индивидуальных дипольных антенн, которые размещены по отношению к геометрическому центру антенной системы так, что центры антенных элементов смещены относительно геометрического центра антенной системы, и антенная система вращается, механически или электронным способом, вокруг или относительно геометрического центра антенной системы. Способ, соответствующий изобретению, предусматривает реализацию антенной системы в виде множества дипольных антенн, смещенных относительно геометрического центра антенной системы, что обеспечивает существенно более сложную характеристику излучаемого электромагнитного излучения и в то же время более точный и детальный прием электромагнитного излучения, что обеспечивает возможность достижения существенного усовершенствования способа измерения.

В способе, соответствующем настоящему изобретению, антенная система может быть выполнена, согласно двум альтернативным вариантам осуществления, таким образом, что индивидуальные дипольные антенны расположены радиально от геометрического центра антенной системы, причем центры различных дипольных антенн расположены со смещением относительно геометрического центра антенной системы, в частности, центры различных дипольных антенн расположены на окружности или на различных окружностях с разными радиусами, причем геометрический центр антенной системы совпадает с центрами упомянутых окружностей, либо различные дипольные антенны могут, как вариант, формировать треугольную конфигурацию, расположенную симметрично относительно геометрического центра антенной системы, т. е. диполи расположены треугольником, а вершина треугольника расположена в геометрическом центре антенной системы, либо составную треугольную конфигурацию, расположенную симметрично относительно геометрического центра антенной системы. В качестве альтернативы эти два варианта выполнения дипольной антенны могут быть объединены с обеспечением другой диаграммы направленности, либо могут также использоваться другие конфигурации, отличные от треугольной, например конфигурации в форме квадрата, или многоугольника, или комбинации нескольких различающихся многоугольных конфигураций.

В способе, соответствующем настоящему изобретению, индивидуальные антенные элементы антенной системы установки, особенно дипольные антенны, образующие ортогонально ориентированные наборы для передатчика и приемника или, как вариант, ориентированные параллельно, могут использоваться для передачи и приема электромагнитного излучения. Кроме того, для передачи и приема электромагнитного излучения могут быть использованы одинаково поляризованные или ортогонально поляризованные антенны передатчика и приемника. Эти специальные признаки позволяют использовать широкое разнообразие вариантов осуществления.

В способе, соответствующем изобретению, могут быть предусмотрены средства для вращения антенной системы, обеспечивающие вращение антенной системы с помощью механических или электронных средств. Предпочтительно в настоящем изобретении используется электронное вращение для обеспечения управления вращением с высокой точностью при существенном снижении полного веса установки. Электронное вращение может быть обеспечено введением сдвига между отдельными антенными элементами антенной системы, что обеспечивает поляризацию электромагнитного поля относительно геометрического центра с угловыми приращениями в типовом случае порядка 22,5°, 30°, 36° или долей или целых кратных величин этих углов.

В способе, соответствующем настоящему изобретению, антенная система, соответствующая вышеупомянутому варианту выполнения, может использоваться для передачи и приема электромагнитного излучения для генерирования электромагнитного излучения и приема электромагнитного излучения на нескольких отдельных частотах, предпочтительно в диапазоне от 100 МГц до 1 ГГц шагами по 5 МГц. При этом обеспечивается преимущество, состоящее в обеспечении широкого спектра отражений.

В способе, соответствующем изобретению, может использоваться средство обработки сигналов для измерения передаточной функции, например передаточной функции по напряжению, передаточной функции по току или их комбинаций, или передаточной функции по мощности для сигналов, соответствующих излучению, переданному антенной системой, по отношению к излучению, принятому антенной системой. В настоящем изобретении предпочтительно измеряется передаточная функция по напряжению для связанных значений изменения угла антенной системы и частоты сигнала, излученного антенной системой, и сигнала, принятого антенной системой.

В способе, соответствующем изобретению, средство обработки сигналов может использоваться для выполнения преобразования из час002451 тотной области во временную область с использованием преобразования Фурье или с применением математической экспоненциальной модели с соответствующей рациональной передаточной функцией для передаточной функции, связанной с конкретным углом, для генерирования непрерывной во времени и зависящей от времени функции для каждого угла, который вычисляется в предварительно определенное количество дискретных моментов времени при идентичных моментах вычисления для всех углов. Кроме того, средство обработки сигналов может использоваться для выполнения преобразования из частотной области во временную область путем преобразования Фурье или с использованием математической экспоненциальной модели с соответствующей рациональной передаточной функцией для каждой угловой гармоники, зависящей от времени непрерывной во времени функции в предварительно определенное количество дискретных моментов времени при идентичных моментах вычислений для всех угловых гармоник, для генерирования набора чисел, соответствующих математической функции, имеющей дискретные угловые гармоники и дискретные моменты времени в качестве независимых переменных. Это обеспечивает надежное определение уровня и задержек по времени для основных отражателей даже при отсутствии идеальных условий.

В способе, соответствующем настоящему изобретению, средство обработки сигналов может использоваться для выполнения анализа сигналов посредством преобразования Фурье для каждого из используемых моментов, связанных с каждым углом, непрерывной во времени функции, с использованием времени в качестве постоянной и угла в качестве независимой переменной для генерирования представления в области углов. Кроме того, средство для обработки сигналов может выполнять анализ сигналов с помощью преобразования Фурье для каждой частоты, причем частота используется как постоянная, а угол - как независимая переменная для генерирования набора чисел с использованием угловой гармоники и частоты измерений в качестве независимых переменных. Назначением применения преобразования Фурье является выделение содержимого угловых гармоник сигнала при различных временных задержках (и глубинах).

В способе, соответствующем настоящему изобретению, средство обработки сигналов может использоваться для выполнения различных операций над обрабатываемыми сигналами. Средство обработки сигналов может использоваться для выполнения сканирования локальных и глобальных максимумов, указывающих периодические по углу отражения от объектов, при представлении в области углов, причем пиковые значения указывают на временную задержку соответствующих отражений от объек та. Кроме того, средство обработки сигналов может выполнять вычисления углового положения относительно антенной системы для периодических по углу отражений, а также средство обработки сигналов может использоваться для применения собранных результатов измерений, выполненных в процессе перемещения по горизонтали, для подавления мешающих отражений.

Ниже изобретение описывается более детально со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее: фиг. 1-12 относятся к описанию предшествующего уровня техники.

Фиг. 1 иллюстрирует, каким образом антенны перемещаются вдоль произвольной траектории по поверхности земли в процессе вращения антенн или путем поворота поляризации посредством постоянного электрического сдвига между антенными элементами.

Фиг. 2 иллюстрирует возможную конфигурацию антенн с двумя выводами, символизируемую тонкими электрическими диполями со смещенными центрами. За счет электрического сдвига между 8 антеннами может быть обеспечен поворот поляризации.

Фиг. 3 а иллюстрирует одиночную пару коллинеарных антенн с двумя выводами, одна из которых используется в качестве передающей, а другая - в качестве приемной. На фиг. 3Ь показаны 4 такие пары. На фиг. 3 с показана одиночная пара параллельных антенн с двумя выводами, а на фиг. 36 - 4 такие пары. За счет электрического сдвига между антеннами по фиг. 3Ь и 36 может быть обеспечен поворот поляризации с приращениями по 45°.

Фиг. 4 - фиг. 4а иллюстрирует одиночную пару антенн с двумя выводами, имеющих смещенные центры и поляризованных ортогонально, причем одна из них используется в качестве передающей, а другая - в качестве приемной. На фиг. 4Ь показаны 8 таких пар. За счет электрического сдвига между антеннами по фиг. 4Ь может быть обеспечен поворот поляризации с приращениями 45° в процессе измерений с использованием пар, показанных на фиг. 4а. На фиг. 4с показана одиночная пара антенн с двумя выводами, имеющих смещенные центры, ортогональные поляризации и асимметричную взаимную связь, причем одна из них используется в качестве передающей, а другая - в качестве приемной. На фиг. 46 показаны 4 такие пары. За счет электрического сдвига между антеннами по фиг 46 может быть обеспечен поворот поляризации приращениями по 45° в процессе измерений с использованием пар антенн, показанных на фиг. 4с.

Фиг. 5 - на фиг. 5а показан одиночный диполь, который может быть использован как передающая, а также как приемная антенна соответственно измерению 8-параметра 8₁₁, представляющего измерение отражения (в противоположность измерению передачи, которое используется во всех случаях, когда передающая и приемная антенны разделены). На фиг. 56 показаны 8 таких диполей. За счет электрического сдвига между антеннами по фиг. 5Ь может быть обеспечен поворот поляризации приращениями по 45° в процессе измерений с использованием пар антенн, показанных на фиг. 5а.

Фиг. 6 - на фиг. 6а представлены два ортогональных диполя, один из которых используется как передающий, а другой - как приемный. На фиг. 6Ь показаны две такие пары. Теоретическое применение конфигурации по фиг. 6Ь заключается в измерении отражения (8ц) при использовании только одного диполя в каждый данный момент времени.

Фиг. 7 - фиг. 7а иллюстрирует угол протяженных объектов относительно набора антенн типа 2. Фиг. 7Ь иллюстрирует угол протяженных объектов относительно набора антенн типа 1.

Фиг. 8 иллюстрирует набор антенн в двух положениях относительно объекта. Для ясности в набор включены только 4 диполя. На фиг. 8а показан вид сбоку набора в двух положениях, а на фиг. 8Ь - соответствующий вид сверху.

Фиг 9 иллюстрирует конфигурации диполей, в которых боковые стороны не параллельны. Такой вариант выполнения одиночного диполя может иметь преимущество в отношении ширины полосы частот диполя.

На фиг. 10 представлен схематичный вид возможной конструкции диполей, в которой разъединенные металлические листы 1 электрически соединены с помощью резистивных элементов связи а. На фиг. 10а показана половина такого диполя. Число элементов может меняться. На фиг. 1 0Ь показаны две такие половины с фидерным симметрирующим устройством 2.

На фиг. 11 показан схематичный вид возможной конструкции диполей, в которой разъединенные металлические листы 1 -5 электрически соединены с помощью резистивных элементов связи а. Боковые стороны не параллельны, и ширина диполей возрастает с увеличением расстояния от центра. На фиг. 11а показана половина такого диполя. Число элементов может меняться. На фиг. 11Ь показаны две такие половины с фидерным симметрирующим устройством 2.

На фиг. 12 показана фундаментальная конструкция антенны в поперечном сечении по линии, соответствующей диаметру на фиг. 9а или 9Ь. Антенные элементы е лежат на опорной плате б из соответствующего диэлектрического материала. Вся конструкция удерживается самой верхней платой а, которая может быть выполнена из любого материала с учетом электрических характеристик. Ниже поддерживающей платы а находится экранирующая пленка, или металлическая плата Ь размещена так, чтобы предотвратить возможность излучения в направлении вверх; с - поглощающий материал, например $$ЕССО8ОВВ15$$ или 18$$ (торговая марка Ешсгзон Сишшд) или их комбинации. Ниже активных элементов имеется плата из диэлектрического материала. Антенные элементы е состоят из плоских металлических элементов, соединенных элементами резистивной связи, как показано на фиг. 10 или на фиг. 11, £ - диэлектрический материал, который защищает активные элементы механически, а также обеспечивает электрическую настройку. Относительная диэлектрическая проницаемость такого материала в типовом случае находится в пределах от 3 до 10.

Фиг. 13-19 относятся к измерениям, осуществленным в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 13 представлен результат процедуры № 1 вплоть до этапа 16 включительно. На фиг. 13а показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и времени (нс) в форме трехмерного графика. На фиг. 13Ь показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и времени (нс) в форме контурного графика. Фиг. 13с и 13б иллюстрируют результат описываемой процедуры № 1 вплоть до этапа 15 включительно. На фиг. 13с показан уровень измеренного сигнала в функции от индекса η угла и частоты (ГГц) в форме трехмерного графика. На фиг. 13б показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и частоты (ГГц) в форме контурного графика. Фиг. 13е и 13£ иллюстрируют результат описываемой процедуры № 2 вплоть до этапа 22 включительно. На фиг. 13е показан вычисленный уровень сигнала в функции от индекса к угловых гармоник и времени (нс) в виде трехмерного графика. На фиг. 13£ показан вычисленный уровень сигнала в функции от индекса к угловых гармоник и времени (нс) в виде контурного графика. На фиг. 13д и 1311 иллюстрируются кривые обнаружения как результат процедуры № 6 вплоть до этапа 6.3 включительно. Фиг. 13д иллюстрирует Ό в абсолютных величинах, а фиг 131 иллюстрирует ϋ в дБ. На фиг. 131 и 13_) иллюстрируются кривые обнаружения как результат процедуры № 2 вплоть до этапа 2.3 включительно. Фиг. 131 иллюстрирует Ό в абсолютных величинах, а фиг. 13_) иллюстрирует Ό в дБ.

На фиг. 14 показан результат описываемой процедуры № 1 вплоть до этапа 1.6 включительно. На фиг. 14а показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и времени (нс) в форме трехмерного графика. На фиг. 1 4Ь показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и времени (нс) в форме контурного графика. Фиг 14с и 14б иллюстрируют результат описываемой процедуры № 1 вплоть до этапа 1.5 включительно. На фиг 1 4с показан уровень измеренного сигнала в функции от индекса η угла и частоты (ГГц) в форме трехмерного графика. На фиг 14б показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и частоты (ГГц) в форме контурного графика. Фиг. 14е и 14£ иллюстрируют результат описываемой процедуры № 2 вплоть до этапа 2.2 включительно. На фиг. 14е показан вычисленный уровень сигнала в функции от индекса к угловых гармоник и времени (нс) в виде трехмерного графика. На фиг. 141 показан вычисленный уровень сигнала в функции от индекса к угловых гармоник и времени (нс) в виде контурного графика. На фиг. 14д и 141 иллюстрируются кривые обнаружения как результат процедуры № 6 вплоть до этапа 6.3 включительно. Фиг. 14д иллюстрирует Ό в абсолютных величинах, а фиг 1411 иллюстрирует Ό в дБ. На фиг. 141 и 14_) иллюстрируются кривые обнаружения как результат процедуры № 2 вплоть до этапа 2.3 включительно. Фиг. 141 иллюстрирует Ό в абсолютных величинах, а фиг. 14_) иллюстрирует Ό в дБ.

На фиг. 15 представлен результат описываемой процедуры № 1 вплоть до этапа 1.6 включительно. На фиг. 15а показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и времени (нс) в форме трехмерного графика. На фиг. 15Ь показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и времени (нс) в форме контурного графика. Фиг. 15с и 156 иллюстрируют результат описываемой процедуры № 1 вплоть до этапа 1.5 включительно. На фиг. 15с показан уровень измеренного сигнала в функции от индекса η угла и частоты (ГГц) в форме трехмерного графика. На фиг. 156 показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и частоты (ГГц) в форме контурного графика. Фиг. 15е и 151 иллюстрируют результат описываемой процедуры № 2 вплоть до этапа 2.2 включительно. На фиг. 15е показан вычисленный уровень сигнала в функции от индекса к угловых гармоник и времени (нс) в виде трехмерного графика. На фиг. 151 показан вычисленный уровень сигнала в функции от индекса к угловых гармоник и времени (нс) в виде контурного графика. На фиг. 15д и 151 иллюстрируются кривые обнаружения как результат процедуры № 6 вплоть до этапа 6.3 включительно. Фиг. 15д иллюстрирует Ό в абсолютных величинах, а фиг. 151 иллюстрирует Ό в дБ. На фиг. 151-15о иллюстрируются кривые обнаружения как результат процедуры № 2 вплоть до этапа 2.3 включительно. Фиг. 151 иллюстрирует Ό в абсолютных величинах, а фиг. 15_) иллюстрирует Ό в дБ, фиг. 15к и фиг. 151 иллюстрируют результаты вычислений, полученные в описываемой процедуре 3.

На фиг. 16 иллюстрируется результат описываемой процедуры № 1 вплоть до этапа 1.6 включительно. На фиг. 1 6а показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и времени (нс) в форме трехмерного графика. На фиг. 16Ь показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и времени (нс) в форме контурного графика Фиг. 16с и 166 иллюстрируют результат описываемой процедуры № 1 вплоть до этапа 1.5 включительно. На фиг. 1 6с показан уровень измеренного сигнала в функции от индекса η угла и частоты (ГГц) в форме трехмерного графика. На фиг. 166 показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и частоты (ГГц) в форме контурного графика. Фиг. 1 6е и 1 61 иллюстрируют результат описываемой процедуры № 2 вплоть до этапа 2.2 включительно. На фиг. 16е показан вычисленный уровень сигнала в функции от индекса к угловых гармоник и времени (нс) в виде трехмерного графика. На фиг. 161 показан вычисленный уровень сигнала в функции от индекса к угловых гармоник и времени (нс) в виде контурного графика На фиг. 16д и 161 иллюстрируются кривые обнаружения как результат процедуры № 6 вплоть до этапа 6.3 включительно. Фиг. 16д иллюстрирует Ό в абсолютных величинах, а фиг. 161 иллюстрирует Ό в дБ. На фиг. 161 и 16_) иллюстрируются кривые обнаружения как результат процедуры № 2 вплоть до этапа 2.3 включительно. Фиг 161 иллюстрирует Ό в абсолютных величинах, а фиг. 16_) иллюстрирует Ό в дБ.

На фиг. 17 представлен результат описываемой процедуры № 1 вплоть до этапа 1.6 включительно. На фиг. 17а показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и времени (нс) в форме трехмерного графика. На фиг. 17Ь показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и времени (нс) в форме контурного графика. Фиг. 17с и 176 иллюстрируют результат описываемой процедуры № 1 вплоть до этапа 1.5 включительно. На фиг. 1 7с показан уровень измеренного сигнала в функции от индекса η угла и частоты (ГГц) в форме трехмерного графика. На фиг. 176 показан уровень сигнала в функции от индекса η угла и частоты (ГГц) в форме контурного графика. Фиг. 1 7е и 1 71 иллюстрируют результат описываемой процедуры № 2 вплоть до этапа 2.2 включительно. На фиг. 17е показан вычисленный уровень сигнала в функции от индекса к угловых гармоник и времени (нс) в виде трехмерного графика. На фиг. 171 показан вычисленный уровень сигнала в функции от индекса к угловых гармоник и времени (нс) в виде контурного графика. На фиг. 17д и 171 иллюстрируются кривые обнаружения как результат процедуры № 6 вплоть до этапа 6.3 включительно. Фиг. 17д иллюстрирует Ό в абсолютных величинах, а фиг. 171 иллюстрирует Ό в дБ. На фиг. 171 и 17_) иллюстрируются кривые обнаружения как результат процедуры № 2 вплоть до этапа 2.3 включительно. Фиг. 171 иллюстрирует Ό в абсолютных величинах, а фиг. 17_) иллюстрирует Ό в дБ.

Фиг. 18 иллюстрирует семейство кривых обнаружения, каждая из которых снята с использованием опытного образца и затем помещена на одном графике, при этом видно, как изменяется кривая обнаружения при прохождении через объект. Объект, соответствующий графикам на фиг. 18, 19А и 19Ь, представляет собой трубу из поливинилхлорида, заполнен13 ную водой, имеющую диаметр 110 мм и находящуюся на глубине примерно 140 см.

На фиг. 18 временная задержка преобразована в оценку глубины, причем для скорости распространения радиоволн в земле принята оценка среднего значения.

На фиг. 19а показана типовая кривая обнаружения, полученная для изображения опытного образца. Четкая индикация обнаружения видна на глубине, соответствующей временной задержке примерно 31 нс.

На фиг. 19Ь показана кривая обнаружения, на которой отсутствует индикация обнаруживаемого объекта, такого как кабель или труба.

Фиг. 20-44 иллюстрируют представленный вариант осуществления изобретения.

На фиг. 20 показана полностью установка, содержащая передающую и приемную антенны, закрепленные на круговом диске, корпус батареи, электронные блоки передатчика и приемника и установку обработки данных, включающую в себя монитор.

На фиг. 21 показана блок-схема системы аппаратных средств для опытного образца. Система состоит из трех основных частей: антенной решетки, электронного блока векторного анализатора реального времени и персонального компьютера, снабженного модулем обработки сигналов.

На фиг. 22 показана блок-схема электронного блока векторного анализатора реального времени (ВАРВ).

На фиг. 23 показана блок-схема электронного блока приемника.

На фиг. 24 показана принципиальная схема блока 'а' приемника.

На фиг. 25 показана принципиальная схема блока 'Ь' приемника.

На фиг. 26 показана принципиальная схема блока 'с' приемника.

На фиг. 27 показана принципиальная схема блока '6' приемника.

На фиг. 28 показана принципиальная схема передатчика.

На фиг. 29 показана принципиальная схема блока синтеза.

На фиг. 30 показана принципиальная схема блока питания блока синтеза.

На фиг. 31 показана принципиальная схема блока непрерывного (быстрого) синтеза.

На фиг. 32 показана принципиальная схема блока переменного синтеза.

На фиг. 33 показана принципиальная схема опорного блока для блока синтеза.

На фиг. 34 показана принципиальная схема блока переключения для блока синтеза.

На фиг. 35 показана принципиальная схема схемы обнаружения, содержащей логические цифровые входные/выходные линии для управления блоком синтеза, антенным блоком и блоками поддержки.

На фиг. 36 показана принципиальная схема схемы обнаружения, состоящей из аналогоцифровых преобразователей.

На фиг. 37 показана принципиальная схема платы антенного переключателя. На фиг. 38 показана принципиальная схема переключателя декодирования/уровня антенного переключателя.

На фиг. 39 показана принципиальная схема дипольной антенны.

На фиг. 40 показан вид верхней части топологии двусторонней печатной платы схемы дипольной антенны.

На фиг. 41 показан вид нижней части топологии двусторонней печатной платы схемы дипольной антенны.

На фиг. 42 показан последовательный интерфейс (ΕΖΕΙΤΕ).

На фиг. 43-45 показаны альтернативные конфигурации антенных элементов.

Фиг. 43 иллюстрирует конфигурацию из четырех пар антенн, все центры диполей смещены относительно геометрического центра. Элементы имеют форму «бабочки», причем такая конструкция практически соответствует показанному на фиг. 11, а конфигурация в целом соответствует конфигурации по фиг. 12.

Фиг. 44 иллюстрирует конфигурацию из пяти пар антенн, все центры диполей смещены относительно геометрического центра. Элементы имеют форму «бабочки», причем такая конструкция практически соответствует показанному на фиг. 11, а конфигурация в целом соответствует конфигурации по фиг. 12.

Фиг. 45 иллюстрирует конфигурацию из пяти пар антенн, все центры диполей смещены относительно геометрического центра. Элементы имеют форму «бабочки», причем такая конструкция практически соответствует показанному на фиг. 11, а конфигурация в целом соответствует конфигурации по фиг. 12.

Для более детального пояснения изобретения представлены следующие таблицы.

Таблицы 1-8 содержат информацию относительно представленного варианта осуществления изобретения.

Таблица 1 содержит указания выводов и перечень компонентов для электронного блока приемника.

Таблица 2 содержит указания выводов и перечень компонентов для электронного блока передатчика.

Таблица 3 содержит указания выводов и перечень компонентов для блока синтеза.

Таблица 4 содержит указания выводов и перечень компонентов для блока обнаружения.

Таблица 5 содержит указания выводов и перечень компонентов для блока антенного переключателя.

Таблица 6 содержит указания выводов и перечень компонентов для переключателя декодирования/уровня антенного переключателя.

Таблица 7 содержит перечень компонентов для последовательных интерфейсов по фиг. 4244.

Таблица 8 содержит перечень компонентов для элемента дипольной антенны.

Таблицы 9-11 содержат информацию, касающуюся возможных вариантов осуществления изобретения.

Таблица 9 содержит данные для ряда возможных антенных конфигураций.

Таблица 10 содержит примеры числа поворотов антенной системы, причем Δθ - угол поворота между каждым измерением, N - число измерений.

Таблица 11 содержит примеры индексов к, соответствующих двум периодам на поворот. Значения индексов к даны парами (к₂, к_-2), Δθ угол поворота между каждым измерением, N число измерений.

Таблица 12 содержит информацию, касающуюся измерений согласно представленному варианту осуществления изобретения.

В таблице 12 представлены итоговые данные для объектов, проиллюстрированных в примерах 1-5.

На фиг. 20 представлен пример осуществления 10 настоящего изобретения, который содержит конструкцию, выполненную для обеспечения перемещения, включающую в себя набор колес 32, опору 26, ϋ-образную ручку 30, на открытом конце которой закреплена опора 26, причем колеса 32 закреплены на валу, закрепляемом с помощью ряда выступов ϋ-образной ручки 30 на открытом ее конце. Корпус 12 установлен на платформе 26, содержащей индивидуальные антенные элементы, выполненные как описано ниже. Индивидуальные антенные элементы закреплены на верхней стороне корпуса 12 с помощью фиксаторов 18 со струбцинами. Металлические винты 24 обеспечивают дополнительное крепление индивидуальных антенных элементов. Болты 22 из пластика скрепляют вместе верхнюю пластину и нижнюю пластину корпуса 12. Передаваемые сигналы подаются, и принимаемые сигналы принимаются, как описано ниже, соответственно на индивидуальные антенные элементы и от них через проводники 20, соединенные с блоками 16 переключателя, содержащими, совместно с электронным логическим блоком 14, средства управления переключением передачи-приема индивидуальных антенных элементов. Электронный логический блок 14 размещен под блоками 16 переключателя. Передача сигналов между индивидуальными антенными элементами и электронным блоком 34 установки, включающим в себя электронный блок синтеза, электронный блок измерения частоты и электронный блок передатчикаприемника, как описано ниже, обеспечивается с помощью набора проводников 28. Средство обработки сигналов содержит компьютер 38, свя занный с монитором 42 и клавиатурой 40. Для питания компьютера 38, монитора 42, клавиатуры 40 и электронного блока 34 установки предусмотрен блок питания 36, расположенный на противоположной стороне ручки 30 по отношению к компьютеру 38.

Ниже представлено подробное описание изобретения.

1. Предпосылки изобретения

Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для обнаружения объектов в земле с помощью соответствующих радиолокаторов. Такие радиолокаторы, облучающие землю или иные материалы, давно используются и известны как георадары, радиолокаторы глубинного обнаружения, подповерхностные радиолокаторы. В течение длительного времени пытались использовать такие подповерхностные радиолокаторы для поиска объектов в земле, в том числе кабелей, труб и оптических волокон. Однако известные из предшествующего уровня техники радиолокаторы обнаружения объектов под землей, по существу, не пригодны для этой цели, что может считаться причиной того, почему отсутствовала коммерческая технология радиолокационных обнаружителей кабелей и труб, несмотря на настоятельную потребность и множество экспериментов. При благоприятных условиях коммерчески доступные радиолокационные системы обнаружения объектов под землей обеспечивают обнаружение кабелей и труб, но только в случае, когда радиолокационная антенна перемещается вперед по одной или более прямым линиям, поперечно обнаруживаемым объектам, и только путем интерпретации зарегистрированных измерений, которые требуют высокого уровня квалификации интерпретатора. Радиоволны имеют поляризацию, связанную с пространственной ориентацией соответствующих электромагнитных полей. Использование поляризации добавляет еще одну степень измерений радиолокаторам обнаружения объектов под землей, в частности, таким образом, что объекты могут быть селектированы на окружающем их фоне, в дополнение к традиционному разрешению по времени.

Использование поляризации в качестве средства различения объектов, особенно протяженных объектов, не привело, однако, в ранее использовавшихся радиолокаторах к возможности обнаружения кабелей и труб. Действительно, известны патенты и публикации, посвященные поляризации, в частности работа авторов Уоилд с1 а1. из Университета штата Огайо (см. пример [8]). В этом направлении работали и другие исследователи, включая группу СипЮп с1 а1. в Великобритании (см. примеры [1], [2], [10]). Кроме того, был проведен ряд испытаний по переносу методов, известных как синтезированная апертура или синтезированная антенная решетка, используемых в качестве бортовых и спутниковых радиолокационных систем, на ра диолокаторы обнаружения объектов под землей. Применение поляризации также известно из этих систем, что часто определяется как поляриметрия. Общей особенностью методов поляриметрии и синтезированной апертуры является то, что они требуют довольно однородной среды, что облучаемые объекты находятся в дальней зоне антенны и что на взаимную фазу радиолокационных сигналов не оказывают существенного влияния неоднородности в среде распространения.

Когда антенна находится вблизи земли или в условиях распространения волны в почве, почти всегда будет иметься сильное влияние на фазу и амплитуду волн со стороны неоднородностей в форме камней, металлических объектов, неровностей поверхности, влаги и т. д. Влияние таких неоднородностей может привести к значительным колебаниям при перемещении антенны на несколько сантиметров. Методы использования поляризации, как описано в [1], [2], оказываются неэффективными в условиях таких сигналов, как указано выше. Периодичность, присущая радиолокационным сигналам от тонких удлиненных объектов в земле при идеальных условиях, как описано в [1], [2], на практике оказывается маскированной случайными изменениями значительного уровня. Шум, обусловленный такими неоднородностями, делает на практике ненадежным обнаружение на основе простых алгебраических комбинаций измеренных радиолокационных сигналов. Вращение поляризации является полезным и эффективным средством для улучшения характеристик радиолокаторов обнаружения объектов под землей. В [1, Синю η с1 а1.] представлена следующая математическая модель зависимости угла поляризации для длинных тонких объектов:

Г(1)=А(1)+В(1)81п(Х)+С(1)со8(Х)+П(1)81п(2Х)+Е(1)со8(2Х), где Х - угол поворота антенной системы. Не совсем ясно, как фазы Α(ΐ)...Ε(ΐ) связаны в данном уравнении. В любом случае можно заключить, что математические выражения, подобные приведенному выше, которые могут рассматриваться как первая часть в ряду Фурье, не могут использоваться на практике для описания сигналов, измеренных в радиолокаторе обнаружения объектов под землей, с каким-либо полезным приближением. Изобретателями было найдено, что надлежащий анализ Фурье угловой зависимости совместно с другими математическими операциями является весьма полезным инструментом для обнаружения объектов.

Проанализировав ортогональные антенны с двумя выводами с совпадающими электрическими центрами, использованные в патентах [8], [1 ], [2], изобретатели пришли к выводу, что они не являются наиболее пригодными для обнаружения объектов, подобных кабелям или трубам. Аргументом, обосновывающим использование взаимно перпендикулярных антенн с двумя вы водами с совмещенными центрами (т.е. скрещенных диполей), согласно описаниям указанных патентов, является то, что взаимная электромагнитная связь между ними равна теоретически нулю и что, таким образом, отсутствует прямая связь между сигналами от передатчика к приемнику (определяемая понятием «проникающий сигнал»). Изобретателями было найдено, что антенны со смещенными центрами предпочтительны в большинстве случаев. Причина этого состоит в том, что симметрия, которая необходима в конструкции со скрещенными диполями, на практике подвергается возмущениям со стороны окружающей среды, в частности неровностей поверхности земли. Поскольку ближние зоны расположенных рядом антенн в большой степени совпадают, малые отклонения от симметрии вносят большие искажения, в результате чего возникает существенная взаимная связь. Поэтому разнесение центров антенн является более предпочтительным. Предложенная предпочтительная антенная конфигурация представляет собой коллинеарные или параллельные диполи со смещенными центрами, в противоположность описаниями патентов [1], [8], где антенны, а также способы обнаружения основывались на ортогональности. Однако следует подчеркнуть, что предложенный способ обнаружения, включая обработку сигнала, чрезвычайно полезен и при использовании ортогональных антенн. Предложенная предпочтительная форма сигнала соответствует так называемому радиолокатору с непрерывным сигналом со ступенчато изменяющейся частотой, в котором излучаются сигналы синусоидальной волны, имеющие частоту, изменяющуюся ступенчато. Термин «непрерывный сигнал» означает, что синусоидальное колебание излучается на протяжении такого времени, что в процессе каждого измерения переходные процессы могут считаться закончившимися. В радиолокаторе обнаружения подземных объектов, предлагаемом в настоящем изобретении, излучаются частоты в интервале от 100 до 1000 МГц с приращениями частоты 5 МГц (однако способ, соответствующий изобретению, может быть использован и в любом другом диапазоне частот). Данная форма сигнала требует способа преобразования во временную область.

Изобретателями было установлено, что электромагнитное затухание в земле является, по существу, экспоненциальной функцией частоты в соответствующем частотном диапазоне. На основе этого была создана экспоненциальная модель сигнала, предназначенная для использования в качестве основы для оценки временных задержек радиолокационного сигнала. Способ несколько сходен со способами Ргопу (см. [7]). Способы, полученные из исходного способа Ргопу, уже известны в анализе радиолокационных сигналов. Новым признаком настоящего изобретения является то, что математически когерентным способом он учитывает дисперсионные характеристики материалов в земле. В принципе, этим способом можно определить интенсивность отражателя, независимо от того, что отражатель погружен в материал с сильным ослаблением. Кроме того, он обеспечивает лучшее временное разрешение, чем преобразование Фурье, которое часто выполняется с использованием алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ). Классическая взаимосвязь между шириной полосы и разрешением по времени, согласно которой наименьшая обнаруживаемая разность по времени обратно пропорциональна ширине полосы сигнала, применима, как известно, когда используются способы на основе преобразования Фурье. При определенных обстоятельствах лучшее разрешение может быть получено способом Ргопу.

Изобретателями было найдено, что обязательным условием удовлетворительного обнаружения объектов является то, что определяемая поляризацией угловая зависимость должна исследоваться отдельно при различных временных задержках или, иными словами, отражатели, находящиеся на различных расстояниях от антенн по отношению ко времени, анализируются по поляризации отдельно. Следовательно, необходим двумерный анализ сигнала, при котором упомянутые две размерности соответствуют углам и времени.

Кроме того, изобретателями было обнаружено, что перемещение антенн в процессе вращения имеет полезный эффект нарушения периодичности в угловой зависимости очень близко расположенных объектов, в то время как периодическая зависимость более удаленных (и, вероятно, более крупных) объектов сохраняется. Поэтому анализ Фурье по углу поворота для сигнала, измеренного при таких условиях, покажет, что сигналы от объектов вблизи поверхности будут иметь энергию, распределенную в пределах широкого спектра гармоник, в то время как, например, кабели и трубы обусловят значительно более концентрированный спектр в окрестности гармоник, соответствующих 2 периодам на вращение. Таким образом, достигается ослабление нежелательных отражений от объектов и неровностей поверхности. Это очень хорошо соответствует практическому использованию радиолокатора обнаружения подземных объектов для сканирования, осуществляемого в направлении вперед вручную или при установке на транспортное средство или машину и использовании механического или электрического вращения поляризации.

Анализ сигналов и, следовательно, способ обнаружения, как описано в [1] и [2], основываются на сравнении с опорными измерениями, в [2] в форме «согласованных фильтров», что эквивалентно корреляции с известными кривыми. Проблема с использованием опорных измерений состоит в том, что не существует двух объектов с соответствующей окружающей средой, дающих одинаковое отражение. Поэтому способ, основанный на опорных измерениях, трудно использовать практически.

Настоящее изобретение направлено на решение этих проблем за счет использования существующих способов и устройств.

Как очевидно из некоторых примеров, иллюстрирующих обработанные данные измерений, проведенных при реальных условиях, отношение сигнал/шум 20 дБ и более при обычных условиях может быть получено с помощью способов, как описано ниже. Для сравнения, путем сканирования известным радиолокатором обнаружения подземных объектов в поперечном направлении относительно кабеля или трубы может быть получен эхо-сигнал от этих объектов примерно того же уровня, что и от различных объектов окружающей среды, т.е. отношение сигнал/шум составляет примерно 0 дБ при тех же самых условиях.

Использование способа Ргопу для преобразования из частотной области во временную область вместе с анализом Фурье для углов и вращением поляризации обеспечивает надежность обнаружения, которая не могла быть достигнута ранее.

2. Введение

Настоящее изобретение продемонстрировано в варианте осуществления, назначением которого является обнаружение и определение ориентации удлиненных объектов в земле, на практике представляющих собой трубы из различных материалов, кабели, содержащие металлические проводники и оптические волокна.

Однако описываемый способ, включая математическое описание и применение электромагнитных волн с вращающейся поляризацией, может быть использован и для других целей, например для обнаружения противопехотных мин. Описываемый способ, что касается определения направления, т. е. ориентации, ограничен, однако, удлиненными объектами. В последующем описании это имеется в виду при упоминании об обнаружении объектов, находящихся в земле. Настоящее изобретение также пригодно для обнаружения объектов, скрытых в других материалах, например в бетоне, в других строительных материалах, в скальных породах, что может рассматриваться как материалы земли по отношению к электромагнитным волнам. Кроме того, объекты в воздушной среде также могут обнаруживаться описываемым способом.

Изобретение основывается на использовании электромагнитных волн, которые передаются в материал среды, в котором скрыты один или более объектов. Таким образом, способ основан на принципе радиолокации. Электромагнитные (ЭМ) волны могут, в соответствии с общепринятым определением, называться радиоволнами. Изобретение основывается на излучении ЭМ волн с помощью антенны, измерении, регистрации и последующей обработке электромагнитных откликов или отражений, обусловленных объектом.

Радиолокатор, как известно, например, в условиях аэропортов или некоторых иных мест использования, зачастую располагается на относительно большом расстоянии от отражающих объектов по сравнению с длиной используемых ЭМ волн и/или длительности излучаемых импульсов.

В непосредственной близости от антенны радиолокатора часто находятся объекты, поверхность земли, что в соответствии с общепринятыми терминами определяется как ближняя зона антенны. Электромагнитное влияние таких ближних объектов часто не толкуется как отражения, поскольку превалируют так называемые реактивные поля. В последующем изложении термин «отражения» используется, без детальных различий, применительно ко всем зарегистрированным откликам, обусловленным объектами вне антенны, как ближними, так и удаленными.

Настоящее изобретение основывается на использовании комбинации временного разрешения электромагнитных откликов и их поляризационной зависимости. При этом не важно, вызваны ли временные задержки и поляризационная зависимость от элементов, определенных понятиями передача, отражение, ближние зоны, дальние зоны, индуктивная связь, емкостная связь или «реальные» радиолокационные отражения. Предпочтительный вариант осуществления изобретения выполнен так, что объекты, подлежащие обнаружению, находятся вне ближней зоны антенны, но существенным преимуществом изобретения является то, что оно обеспечивает подавление эффектов ближней зоны, даже если они характеризуются более высокими уровнями, чем полезные отражения.

В радиолокационной системе, соответствующей изобретению, одна антенна используется для излучения ЭМ волн, а другая антенна используется для приема откликов на излучения, или используется множество таких антенн. В возможном варианте можно осуществлять выбор одной или множества антенн для передачи и приема, возможно, в одно и то же время.

В последующем передаточная функция между передатчиком и приемником используется независимо от конструкции антенны. Важным моментом является то, что в системе проводится различие между излученным сигналом и принятым сигналом и производится их сравнение. Сравнение осуществляется косвенным образом на основании того, что излучаемый сигнал, или непосредственно переменное напряжение, определяется и является известным, а принимаемый сигнал измеряется и регистрируется.

В последующем описании сигнал означает электромагнитный отклик или связь между из лученным и принятым сигналом. В последующем описании объекты, помимо хорошо определенных объектов, подобных трубам, кабелям и т.д., также означают различия в характеристиках материала, т. е. неоднородности в среде, в которой распространяются ЭМ волны. Под вращением антенн понимается вращение поляризации с помощью физического (механического) вращения, а также электрических средств, включая электрический сдвиг между рядом антенных элементов. Измерения означают осуществляемое вручную или автоматически определение физических размеров с помощью соответствующей аппаратуры. Регистрация и запоминание могут осуществляться также вручную или автоматически.

Изобретение использует анализ сигналов электромагнитного отклика для определения поляризационной зависимости и временных задержек (или одного из двух) сигналов электромагнитных откликов. Анализ включает вычисления на базе измеренных величин. На практике возможные варианты осуществления настоящего изобретения наилучшим образом реализуются с помощью цифровой аппаратуры и некоторых физических элементов, например частоты излучаемых ЭМ волн, изменяемой с определенными интервалами. Поэтому множество чисел будет использоваться в последующем для представления физических элементов, которые по своей природе могут быть непрерывными. В последующем упоминаются двумерные множества чисел, которые являются концентрациями дискретных значений. Эти наборы чисел могут толковаться как элементы матрицы, а каждая строка и каждый столбец в ней могут толковаться как последовательности чисел. В качестве их синонимов используются кривые или функции или значения функций. Возможные варианты осуществления изобретения базируются на дискретных частотах, углах, угловых гармониках и моментах времени, что обосновано использованием цифровых блоков памяти и вычислительных блоков, хотя представленные примеры продемонстрированы как непрерывные изображения.

Принципы изобретения применимы к непрерывным частотам, угловым поворотам, угловым гармоникам, а также к соответствующим дискретным признакам. Точное воплощение математических формул, приведенных ниже, не является единственно возможным. Например, существуют формулы для непрерывного и дискретного преобразования Фурье, но в технике хорошо известно, что преобразования Фурье и последовательности Фурье могут быть вычислены различными путями. Приведенные формулы использованы для того, чтобы продемонстрировать возможные варианты осуществления новых принципов изобретения на практике. Показанные примеры кривых и вычислений, основанных на измерениях физических элементов, являются всего лишь возможными иллюстрациями принципов изобретения.

Числа, указывающие ссылочные источники, приведены в квадратных скобках []. Номера уравнений, представленных в описании, показаны в круглых скобках ().

3. Вращение поляризации

Если в процессе распространения электромагнитная волна падает на объект, электрические характеристики которого отличаются от электрических характеристик окружающей среды, то часть энергии волны отклоняется или отражается при падении на объект. Хорошо известным фактом является то, что при определенных обстоятельствах это отражение (рассеяние) зависит от поляризации волны по отношению к пространственной ориентации объекта. Под поляризацией электромагнитной волны понимается направление вектора электрического поля. Эта поляризация может быть переменной, диффузной или может быть примерно линейной в заданном направлении, или может быть круговой, что означает, что она вращается вокруг оси.

В возможном варианте осуществления настоящего изобретения, показанном ниже, используется линейная поляризация. Кроме того, другие типы поляризации, включая круговую и эллиптическую, могут генерироваться физически и могут анализироваться как линейные комбинации линейно поляризованных составляющих, поэтому линейная поляризация рассмотрена ниже отдельно.

3.1. Линейная поляризация

Под линейно поляризованными волнами понимаются электромагнитные волны, которые сформированы как линейно поляризованные в горизонтальном (наиболее часто) направлении настолько, насколько это возможно практически. В способе предусматривается, что приближенно линейная горизонтальная (наиболее часто) поляризация волн вращается относительно перпендикулярной (наиболее часто) оси. Возможный вариант способа использует волны, которые в возможно большей степени должны характеризоваться следующим:

- линейной поляризацией в различных направлениях, параллельной уровню, параллельному продольной оси удлиненного объекта (объектов), которые обнаруживаются и местоположение которых определяется,

- вращением направления линейной поляризации относительно оси, перпендикулярной упомянутому уровню (и перпендикулярной продольной оси объекта), но не обязательно пересекающей продольную ось объекта.

Поскольку обнаружение и определение местоположения кабелей. оптических волокон или труб, погруженных в землю, является основным назначением данного изобретения, направления линейной поляризации зачастую будут горизонтальными, а вращение будет произ- водиться относительно вертикальной оси. То, что в данном контексте такие электромагнитные волны не описываются как волны с круговой поляризацией, объясняется тем, что в данном способе нет необходимости, чтобы линейная поляризация была на всех возможных углах или чтобы вращение было непрерывным. Дополнительно причиной этого является то, что в изобретении учитывается, что на практике очень трудно получить хорошо определенную круговую или эллиптическую поляризацию при распространении в земле ввиду весьма существенно неоднородного состава почвенной среды.

Электромагнитные волны, упоминаемые в настоящем описании, генерируются приложением высокочастотного электрического напряжения к антенне с соответствующей конструкцией.

Для получения ЭМ волны с практически линейной поляризацией часто используются электрические диполи или двухэлементные антенны. Затем один или более диполей располагаются, например, над поверхностью земли с горизонтальной ориентацией их продольной оси (см. фиг. 2, 3 и 4). В последующем описании для удобства используются двухэлементные дипольные антенны, однако и другие типы антенн могут также использоваться, например так называемые щелевые антенны.

Для обнаружения кабелей и труб в земле часто используют горизонтально ориентированные дипольные антенны, поскольку кабели и трубы обычно расположены в земле горизонтально. Не является обязательным условием в изобретении, что объекты располагаются в земле точно горизонтально, и также не является необходимым, чтобы положение антенн было строго горизонтальным над землей.

Хорошо известно, что если на удлиненный объект, например кабель или трубу, в земле падает электромагнитная волна, поляризация которой практически горизонтальна, то уровень отраженного от объекта сигнала будет периодической функцией угла θ между направлением поляризации волны и продольным направлением объекта. Это описано в [2] и в других источниках, а также в [1].

Наконец, также хорошо известно, что если на линейно поляризованную антенну, например диполь, падает линейно поляризованная ЭМ волна, то величина напряжения, индуцированного на выводах антенны, пропорциональна косинусу угла между направлениями поляризации антенны и волны соответственно.

Эти хорошо известные факты использованы в настоящем изобретении для обеспечения возможности обнаружения, определения местоположения и направления удлиненных объектов в земле без использования опорных измерений, подобных описанным в [1].

Возможный вариант осуществления предложенного способа с использованием линейной поляризации не требует применения полностью линейно поляризованных ЭМ волн или применения антенн, предназначенных для излучения ЭМ волн, излучающих такие полностью горизонтально поляризованные волны, или применения антенн, предназначенных для приема отражений, чувствительных к волнам, имеющим определенную поляризацию. Также не является необходимым, чтобы обнаруживаемые объекты отражали только волны с определенной поляризацией. Для применения заявленного способа достаточно, чтобы эти условия выполнялись в некоторой степени.

3.2. Другие формы поляризации

Круговая и эллиптическая поляризации могут быть сформированы физически и могут как таковые рассматриваться как линейные комбинации линейных поляризаций. Например, круговая поляризация может быть получена путем приложения напряжения переменного тока к ортогонально линейно поляризованным антеннам со взаимным смещением по фазе 90°.

4.1. Антенные конфигурации для линейной поляризации

Линейная вращающаяся поляризация применена в возможном варианте осуществления настоящего изобретения, который продемонстрирован изобретателями. Ниже некоторые возможные конфигурации антенн с линейной поляризацией будут описаны схематично. Антенны определяют поляризацию, которая должна быть использована. Представляет важность угол между поляризацией передающей и приемной антенн. Последующее описание основано на двух основных конфигурациях для линейной поляризации:

измерение 1 типа: совпадающая поляризация: передающая и приемная антенны с одинаковой поляризацией;

измерение 2 типа: кросс-поляризация: поляризации передающей и приемной антенн взаимно перпендикулярны.

На фиг. 3 и 4 иллюстрируются основные конструкции возможных комбинаций антенн в форме очертаний комбинаций дипольных антенн типа 1 и типа 2 соответственно.

Ниже ссылки будут даваться на 8параметры, поскольку они являются хорошо определенными. 821 характеризует измерение прохождения между двумя наборами выводов (даже хотя отражения в среде передачи являются важными факторами), и 8₁₁ характеризует измерение отражения на одиночном соединении. Использование 8-параметров является символическим, также могут использоваться и другие определения.

В таблице 9 приведены характеристики некоторых возможных конфигураций антенн.

Все комбинации на фиг. 3 и 4 составлены из пар диполей: один диполь на передачу, другой диполь на прием. На фиг. 5 иллюстрируется измерение с одиночной антенной, что означает измерение отражения, которое может представлять параметр 8₁₁, так как излученный и принятый сигналы существуют на одних и тех же выводах.

Конфигурация, показанная на фиг. 6а и 66, соответствует использованной в [1] и [8], причем на практике эта конфигурация оказалась менее полезной для обнаружения объектов в земле, в числе прочего вследствие того, что прямая электромагнитная связь между передающей и приемной антеннами имеет величину, сравнимую с ЭМ волнами, отраженными от объектов в земле. Электрические центры антенн совпадают на фиг. 6а и 66. Несмотря на практические ограничения, такая конфигурация пригодна для приближенного теоретического анализа соотношений, связанных с поляризационно-чувствительным обнаружением объектов в земле.

Если, как показано на фиг. 7а, два скрещенных диполя размещены так, что их взаимный центр находится на оси, пересекающей перпендикулярно удлиненный тонкий объект и диполи, лежащие в плоскости, параллельной упомянутому линейному объекту, то применимы приведенные ниже математические соотношения для амплитуды электрического напряжения переменного тока на выводах приемной антенны, причем угол между одним из диполей и объектом равен θ.

Предполагаем, что высокочастотное напряжение переменного тока прикладывается к передающей антенне с постоянной амплитудой, так что прикладываемое напряжение может быть представлено математическим уравнением ν_ίχ(ΐ)=Α_ίχοοδ(2πί), (1) где ν_ίχ(ΐ) - прикладываемое зависящее от времени напряжение,

- время,

Α,,. и £ - амплитуда и частота приложенного сигнала соответственно.

При условии, что этот электрический сигнал приложен к выводам передающей антенны, для напряжения на выводах приемной антенны справедливо следующее приближенное уравнение:

ν_Γι(1, θ)=Αιδίη(2θ)Α_1χοο8(2πή+φι), (2) где Α₁ - постоянный амплитудный коэффициент, определяемый физическими условиями, φι - начальная фаза.

Если два коллинеарных диполя расположены так, как показано на фиг. 76, и длина диполей и расстояние между их центрами достаточно малы в сравнении с расстоянием между диполями и объектом, применимо следующее соотношение:

ν_Γ2(1, ^АЮ+сох^цЛ^со^пГЖрЭ. (3) где А₂ и φ₂ - постоянные.

Следует отметить, что напряжение приемной антенны зависит от времени 1 и от угла поворота θ антенны относительно объекта и что изменения, обусловленные изменением θ, обычно происходят намного медленнее, чем изменения по времени.

Аналогичные математические уравнения применимы к типам антенн, иных, чем электрические диполи, если только они имеют характеристику линейной поляризации.

Два математических соотношения (2) и (3) основаны на ряде допущений:

- что отсутствует отражение от приемной антенны к передающей антенне,

- что антенны, а также объекты весьма тонки по сравнению с длиной используемых ЭМ волн, что является условием для антенн и для объектов, рассматриваемых как линейно поляризованные,

- что толщина антенн и объектов мала относительно расстояния между антеннами и объектом,

- что вся среда, окружающая антенны и объект, является однородной во всех направлениях, что также может быть выражено как то, что среда, в которой распространяются электромагнитные поля и волны, является однородной.

Настоящее изобретение обеспечивает возможность надежного обнаружения кабелей и труб в земле за счет использования поляризационного анализа без выполнения вышеуказанных идеальных предварительных условий.

4.2. Уравнения для угловой зависимости при линейной поляризации

В последующем особое внимание будет уделено передаточной функции по напряжению между передатчиком и приемником, поскольку она содержит важную информацию, а не напряжению на выводах приемной антенны.

Если удалить зависимые от времени части из уравнений (2) и (3), чтобы подчеркнуть важность углового поворота θ, получим следующее уравнение для угловой зависимости передаточной функции по напряжению:

Η₁(θ)=Α₁δίη(2θ) (4) для угловой зависимости в случае антенной конфигурации на кросс-поляризации (типа 2) и

Η₂(θ)=Α₂(1+οοδ(2θ)) (5) для угловой зависимости в случае антенной конфигурации на совпадающей поляризации (типа 1).

Однако вышеприведенное математическое уравнение с упомянутыми предварительными условиями никогда не применяется точно. На практике, при измерении соотношения между напряжением переменного тока, приложенным к передающей антенне, и имеющимся напряжением на приемной антенне возникает более сложная ситуация.

4.3. Уравнения для угловой зависимости при круговой поляризации

Волны с круговой поляризацией могут быть получены с помощью линейной комбина- ции двух линейно поляризованных волн. Антенна с круговой поляризацией может быть создана путем комбинации линейно поляризованных антенн. Например, могут быть использованы схематичные конфигурации, в которых каждая из показанных комбинаций удваивается, так что одна включается в передающую антенну, а другая - в приемную антенну.

Если передающая и приемная антенны имеют круговую поляризацию и если, как упомянуто, предполагаем, что объект является тонким и удлиненным и, следовательно, является чувствительным к линейной поляризации, результатом является передаточная функция по напряжению, которая не изменяется по величине.

При идеальных условиях, соответствующих упомянутым выше условиям, получим передаточную функцию вида

Н_с(Щ=А_сехр(]2Щ (5а1) или

Нс(Щ=Асехр(-.)2Щ (5а2)

При определенных условиях отклик двух антенн с круговой поляризацией на линейный объект будет постоянным, т.е. Н_с(Щ=А_с.

Здесь _) - оператор мнимого представления в комплексных числах,

1²=-1,

А_с - амплитудный коэффициент,

Н_с(Щ - теперь комплексная величина и выражает (идеальным образом) зависимый от угла вращения поворот фазы в передаточной функции по напряжению.

Поскольку поляризация излученной волны при круговой (эллиптической) поляризации вращается непрерывно в процессе распространения, θ отсутствует, подобно случаю линейной поляризации, в уравнении для поляризационного состояния, которое сохраняется, пока антенная система находится в заданном состоянии или положении. В противоположность этому, θ присутствует в уравнении (5а1) и (5а2) для начального поворота поляризации волны. Такой начальный поворот может изменяться соответствующими средствами, подобно вышеупомянутой линейной поляризации.

Угловая зависимость, как в уравнениях (5а1) и (5а2), может быть получена комбинациями ортогональных антенн со взаимным поворотом фазы на 90°. Следует заметить, что нет необходимости в физическом существовании такой схемы поворота фазы или в том, чтобы электрические сигналы имелись в ортогональных антеннах в одно и то же время. Линейные комбинации линейных поляризаций, включая круговую, могут быть образованы путем возбуждения наборов, например диполей, в произвольном порядке, запоминания измеренных сигналов и затем суммирования их алгебраически. Поворот фазы сигналов получается путем умножения на соответствующие комплексные постоянные перед суммированием.

Если круговая или эллиптическая поляризация получена с помощью комбинации линейно поляризованных антенн, начальный поворот полученной в результате (приближенно) круговой поляризации отслеживает механический или электрический (электронный) поворот использованных линейно поляризованных элементов.

Если используется излучение волн с эллиптической или круговой поляризацией, то измеренные сигналы могут быть использованы для обнаружения объектов с применением способов, раскрытых в патенте на использование линейной поляризации.

Практическое использование круговой или эллиптической поляризации может быть основано на разложении измеренной комплексной угловой зависимости на действительную и мнимую части, соответственно тому, что часто называют квадратурным разложением на синфазную (I) и квадратурную (Ц) составляющие.

Например, уравнение (5а2) может быть записано в виде

Н_с(0)=А_сехр(-]20)=А_ссо8(20)-]А_с81п(20), откуда видно, что мнимая часть соответствует уравнению для линейной поляризации (4).

5. Анализ Фурье и измерения, основанные на вращении

Представленные выше выражения Η₁(θ) и Η₂(θ) для угловой зависимости передаточной функции (при линейной поляризации) характеризуются поворотом за два периода, когда антенная система делает один поворот. Если разместить любую комбинацию передающих и приемных антенн над землей и поворачивать ее вокруг вертикальной оси, то в процессе вращения будет иметь место существенное изменение передаточной функции, особенно если антенна размещена вблизи земли, ввиду неоднородностей в земле, таких как камни, меняющиеся виды почв, влажности, материалов отходов и т.д. Кроме того, неровности поверхности земли часто оказывают заметное влияние. Помимо изменений по величине передаточной функции, будут иметь место изменения фазы более сложным образом, чем сдвиг знака полярности, имеющийся в вышеприведенных выражениях для Η₁(θ) и Η₂(θ). Разность фаз между напряжением переменного тока, приложенным к передающей антенне, и напряжением, измеренным на приемной антенне, является фазой передаточной функции. Если повернуть антенну точно на один оборот, т.е. на 360°, то можно точно измерить одну и ту же передаточную функцию перед поворотом и после него, поэтому очевидно, что существует периодическая угловая зависимость. Но помимо функций, испытывающих изменение за два периода на один поворот, часто исследуются зависимости от θ с более высо кой периодичностью и зависимость, соответствующая одному периоду на поворот.

В настоящем изобретении было обнаружено, что угловая зависимость передаточной функции по напряжению между двумя полностью или частично линейно поляризованными антеннами, соответственно излучающими и принимающими электромагнитные поля или волны, распространяющиеся в землю и полностью или частично отражающиеся от объектов в земле или на земле, с хорошей степенью приближения может быть описана посредством ряда Фурье и что это может быть использовано для существенного улучшения обнаружения удлиненных объектов по сравнению с известными способами. Такой ряд Фурье может быть выражен математически следующим образом:

.ν г.

λ^τ(θ) = У С, ехр(7'лЛ0) (0 л=~ V .'2 где п=0, ±1, ±2..., ±N/2, что представляет собой ряд Фурье из N+1 элементов. С_о представляет среднее значение, которое постоянно в процессе вращения. Постоянные Фурье С_п в уравнении (6) являются комплексными и могут быть вычислены в форме интегралов с помощью следующего уравнения:

С„ = ] /7(θ)εχρ(-Ά^Ωθ»θ (7)

-^π -π где п=0, ±1, ±2..., ±N/2.

θ - поворот антенной системы, основанный на произвольном начальном положении,

Ω - переменная, обозначающая переменную угловую гармонику, ]²=-1, ] - оператор мнимого представления в комплексных числах.

Уравнение (6) описывает изменение передаточной функции по напряжению в процессе поворота антенной системы как функцию угла поворота θ.

Введенная переменная Ω аналогична частотной переменной ω, которую часто используют для представления (угловой) частоты при Фурье-преобразовании временных гармонических функций. Заметим, что в (6) имеется конечное число элементов; на практике обнаружилось, что лишь малое число гармоник необходимо для эффективного представления Н(Е). Н(В) - комплексная функция, содержащая амплитудную и фазовую информацию передаточной функции. Математический способ записи комплексных чисел, используемый в данной связи, соответствует способу записи, используемому инженерами в области электронной техники и иными специалистами для представления периодически изменяющейся величины, и описан в ряде источников, например [3], [4].

Примечания относительно постоянных

Фурье:

С_о в вышеприведенном уравнении (6) описывает среднее значение, которое в типовом случае обусловлено отражениями в земле, не зависящими от поворота поляризации.

С₂ и С_-2 - две постоянные, соответствующие двум периодам вращения антенной системы.

При линейно поляризованных антеннах С₂ и С_-2 при идеальных условиях являются взаимно комплексно сопряженными, т.е.

С*₂=С_-2 (символ * означает комплексное сопряжение).

В случае антенн круговой поляризации С₂ или С-2 при идеальных условиях равно нулю.

Η(θ) - по своей сущности является непрерывной функцией угла (θ) и до сих пор рассматривалась как таковая, но зачастую большое практическое значение будет иметь измерение 4(θ) только при малом числе конечных значений θ, например 8 или 16 значений в течение одного поворота, что соответствует повороту антенной системы на 45° или на 22,5° соответственно между каждым измерением.

Если 4(θ) измеряется, как описано, только при некоторых дискретных значениях θ, угол может быть записан математически в следующем виде:

θ=ηΔθ, где η=0...Ν-1,

Δθ - наименьший угловой поворот, например 45° или 22,5°.

Основываясь на таких измерениях 4(θ), комплексные компоненты Фурье могут быть вычислены по формуле .ν-1

С_к=У Я(лД6) ехр(у(2% / л=0 где С_к - периодическая функция по к. С_к образует дискретную функцию, независимая переменная которой может рассматриваться как квантованная копия вышеупомянутой угловой гармонической переменной Ω, но для практического использования для обнаружения объектов полезно рассматривать ее как функцию по индексу к.

Поэтому определим:

У-1 ^7 (^) = ^^( лД0)ехр(у(2л/У)лА:) Л = 0,1..7/-1 (8) л=0

N может равняться 8, 16, 32 или 64. Число измерений в (8) равно числу точек вычислений для функции Уфк). Это уравнение (8) может быть эффективно вычислено посредством быстрого преобразования Фурье (БПФ) (см., например, [4]).

Уфк), как определено в уравнении (8), в настоящем изобретении определяется как угловая гармоническая функция, так как она возникает при преобразовании Фурье зависящей от угла передаточной функции и является, следовательно, решением для угловой зависимости в гармонических составляющих. Уфк) имеет индекс ί, так как Н в уравнении (8) представляет собой частотно-зависимую переменную. В радиолокаторе со ступенчатым изменением частоты, где Η(ηΔθ) измеряется на М частотах для каждого η, Уфк) становится двумерной функцией с МхN точками, т.е. Уфп, т), η=0... Ν-1 и т=0... М-1.

к используется в качестве индекса для угловой гармонической переменной в дискретной форме.

Если радиолокационная система измеряет сигналы как функцию времени - как в импульсном радиолокаторе, наиболее широко распространенном в коммерчески доступных радиолокационных системах обнаружения подземных объектов - угловое преобразование Фурье измеренных данных приведет к получению функции, которая зависит от угловой гармоники и от времени. Вычисление проводится согласно (8), но часто измеренный результат будет не комплексным, а действительным. Соответственно (8) можно определить следующее:

.V-,

И,(£) = Σ О(яА0)ехр(у(2;г / , к = 0,1..77-1 (8а) где К - измеренная функция времени, наиболее часто - импульсный отклик, вновь при различных углах ηΔθ. Если измерения используют N углов и I временных точек, то У_г становится функцией с Ι<χΝ точками, т.е. У^п, ΐ), η=0... Ν-1, 1=1... I,.

Оказалось, что такое решение на основе уравнения (8), (8а) или тому подобных уравнений с последующим выбором соответствующих гармонических компонентов является чрезвычайно эффективным в выделении электромагнитных отражений от объектов, таких как кабели, трубы, в земле, если они возникают на фоне других отражений, например от почвы и т.п.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения используются дискретные углы поворота поляризации (антенной системы), и предпочтительные значения Ν в (8) и (8а) пригодны для вычисления БПФ. Здесь можно сослаться на таблицу 10, где показано число поворотов антенной системы при различных Ν и при двух имеющихся значениях Δθ. Δθ - угловое расстояние между каждым измерением.

Дискретный индекс к для угловой гармоники, когда Уфк) или Уфк) вычисляется в соответствии с (8) или (8а) или эквивалентного соотношения, зависит от использованных угловых приращений Δθ и числа измерений Ν, которое включено в вычисления (и, следовательно, от числа физических поворотов поляризации/ антенн). В соотношениях (8) и (8а) нет отрицательных значений индексов. Два значения к, соответствующие вышеупомянутым С2 или С-2, соответственно двум периодам на поворот, для некоторых типовых значений приведены в таблице 11. Примеры индексов к соответствуют двум периодам на поворот. Значения к опреде33 лены попарно (к₂, к_-2), Δθ - угловой поворот между каждым измерением, N - число измерений.

6. Вращение и поступательное перемещение

Настоящее изобретение использует тот факт, что электромагнитные волны излучаются в землю в процессе вращения поляризации волн. Если некоторая область почвы должна исследоваться на предмет наличия в ней кабелей или труб, необходимо, чтобы антенная система перемещалась вперед над поверхностью земли. Известные георадиолокационные способы требуют, чтобы антенная система перемещалась в соответствии с предварительно определенным законом, например, по прямым, параллельным траекториям.

Настоящее изобретение обеспечивает возможность перемещения вперед над землей антенной системы по произвольной траектории, причем представленный здесь способ обеспечивает повышение надежности правильного обнаружения и определения местоположения удлиненных объектов в земле вследствие такого перемещения.

Если, как показано на фиг. 8 и 9, выполнить два поворота плоскости поляризации антенной системы, оба относительно центров, лежащих вблизи, но не обязательно точно над заглубленным удлиненным объектом, и если измерить передаточную функцию по напряжению в процессе вращения в обоих случаях, то можно видеть, что между двумя наборами измерений имеют место определенные сходства и что существуют некоторые различия. Различия могут быть вызваны отклонениями в составе верхних слоев почвы и неровностями поверхности. Отклонения в составе почвы, влажности, появление камней, отбросы, металлические объекты и т. п. часто приводят к значительным изменениям в измеренных результатах при перемещении даже на несколько сантиметров. Сходство зачастую вызвано отражениями от заглубленного объекта. Мельчайшие перемещения антенны, возможно, изменяют незначительно эти отражения и их угловую зависимость, но периодичность, в основном, сохраняется.

В целом, периодическая последовательность зависящих от угла отражений от удлиненных объектов будет приближенно поддерживаться в процессе незначительного перемещения, в то время как соответствующая последовательность неоднородностей, находящихся над объектом, приводит к значительным изменениям. Если вычисление компонентов Фурье согласно уравнению (8) выполняется на основе повторяемых измерений в процессе комбинации поворота и соответствующего перемещения, то У(к), соответствующее этим значениям к, будет выделяться по отношению к другим. То, что выделяется, будет относиться к удлиненным объектам, в то время как то, что ослабляется, будет относиться к вышеупомянутым другим причинам отражений. Это условие, являющееся благоприятным для обнаружения, например, кабелей и труб, обусловлено тем обстоятельством, что вычисление компонентов Фурье в соответствии с (8), в основном, состоит из суммирования произведений, что означает определение среднего значения измеренных величин. Определение среднего, таким образом, важно в связи с объектами в земле, вызывающей зависимые от углов отражения. Например, горизонтальные слои почвы будут одинаково отражать электромагнитные волны независимо от направления горизонтальной поляризации, такие отражения при вычислении (8) будут суммироваться в компонент Фурье У(0), что концептуально аналогично составляющей постоянного тока или среднему значению решения по Фурье для переменного тока.

Следует отметить, что отклонения в измеренном сигнале, которые вызваны ближней зоной антенн и которые, как общепринято, не обусловлены действительными радиолокационными отражениями, могут быть, таким образом, ослаблены или выделены соответственно посредством вращения, перемещения и решения по Фурье. Это является результатом того факта, что ближние зоны антенн часто имеют хорошо определенную ориентацию.

Способ, описанный здесь и обеспечивающий выделение удлиненных объектов путем вращения поляризации электромагнитных волн, может быть использован для улучшения определения местоположения, например, кабелей посредством индуктивных методов, использующих низкочастотные магнитные поля, генерируемые катушками и токами.

В противоположность другим способам обнаружения кабелей и труб в земле, как, например, описано в [11], заявленный способ не требует, чтобы антенная система перемещалась с пересечением относительно указанных объектов, перемещение вдоль такого объекта приведет к усилению отражений от этого объекта. Однако данный способ может реально использоваться при перемещении вдоль произвольной траектории, если только расстояние и угол относительно обнаруживаемого объекта не изменяются слишком значительно между каждым измерением.

В возможном варианте осуществления настоящего изобретения поляризация поворачивается так, что полный поворот антенн достигается за каждые несколько сантиметров перемещения. Для каждого четвертого поворота, соответственно N=32 и Δθ=45°, вычисляются 32 компонента Фурье. При этих условиях нежелательные отражатели и неровности, находящиеся между антенной и удлиненным объектом, сглаживаются до такой степени, что обеспечивается надежное обнаружение.

Ί. Измерение в частотной области, радиолокатор непрерывного излучения со ступенчатым изменением частоты Настоящее изобретение также относится к способу, обеспечивающему возможность использования электромагнитных полей и волн, которые имеют синусоидальную форму и которые сами по себе не содержат информации о распространении волн переходных процессов или отражений переходных процессов от объектов в земле. Способ позволяет использовать так называемый радиолокационный способ со ступенчатым изменением частоты, при котором генерируются и излучаются синусоидальные (или почти синусоидальные) волны, генерируются вторичные волны, интенсивность и фаза которых измеряются приемной антенной, которая может быть той же самой, что и передающая антенна. Радиолокационный способ со скачкообразным изменением частоты включает передачу ряда волн с различными частотами, часто с одинаковыми приращениями по частоте между отдельными передачами сигнала. Частоты, используемые в радиолокаторе со ступенчатым изменением частоты, математически могут быть выражены следующим образом:

Р(т)=Л£т+£₀, т=0, 1..., М-1, (9) где £(т) - используемая частота,

Δ£ - частотный интервал, т.е. наименьшая разность по частоте, т - целое число, £0 - наименьшая частота.

Для простоты в практических целях могут быть использованы, например, следующие числовые параметры: Δ£=5 МГц, М=201, £₀=100 МГц, что означает, что использована 201 различная частота в интервале от 100 до 1100 МГц включительно. Порядок, в котором излучаются частоты, определяемые соотношением (9), не важен.

Все частоты прикладываются к передающей антенне в течение такого времени, чтобы переходной процесс, существующий одновременно с синусоидальным изменением во времени электромагнитных полей, можно было рассматривать как несущественный по сравнению с полной зависящей от времени напряженностью поля. На практике это может потребовать интервала времени 10 мкс или менее.

Измерения, осуществляемые с использованием таких синусоидальных полей или волн с подавленными переходными процессами, приводят в результате к зависимому от частоты измерению передаточной функции по напряжению между передающей и приемной антеннами. Такое измерение в частотной области само по себе не обеспечивает информации о временных задержках отражений.

Возможность различения между разными временными задержками принципиально важна в радиолокационной системе для определения местоположения объектов в земле, поскольку такое различение является существенным средством для сортировки, например, отражающих объектов на земле или непосредственно под землей.

В случае радиолокационной системы, спроектированной как система непрерывного излучения со ступенчатым изменением частоты, становится необходимым обеспечить измерение временных задержек радиолокационного сигнала на основе измеренных синусоидальных колебаний. Традиционным способом получения таких измерений является преобразование Фурье, часто реализуемое как так называемые алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ). С помощью этого способа измеренные элементы в частотной области могут быть преобразованы в вычисленную оценку соответствующих временных задержек.

Однако применение методов Фурье для преобразования из частотной области во временную область сопровождается значительной неопределенностью, поскольку все радиолокационные измерения могут быть выполнены в ограниченном частотном интервале, в соответствии с фундаментальными физическими условиями. Радиоволны в земле на практике ограничены со стороны низких частот, поскольку антенны для низких частот становятся слишком громоздкими, чтобы обеспечивать достаточную чувствительность при приеме и достаточное излучение при передаче.

Применяемые частоты электромагнитных волн в почве, кроме того, на практике ограничены и со стороны высоких частот, поскольку высокие частоты затухают при распространении. Затухание на практике часто увеличивается с изменением частоты с высокой скоростью на частотах, которые, согласно общей оценке, являются практически применимыми. Поэтому радиоволны в почве могут зачастую выбираться с учетом конфликтующих требований, принимая во внимание ограниченные габариты антенн, с одной стороны, и снижение проникающей мощности излучения, с другой стороны.

Частоты в интервале от 100 МГц до 1 ГГц часто применяются по практическим соображениям. Затухание при распространении радиоволн в диапазоне от 100 МГц до 1 ГГц существенно возрастает с частотой. Это очевидно частично из измерений, на которых основывается настоящее изобретение, и, кроме того, известно из ряда источников, в числе которых [6, Ноекбта т.£1.], [5, Титег], [9, ГгеипбйоГег с1 а1.]. Кроме того, частотная зависимость затухания на практически применимых частотах имеет примерно экспоненциальную форму. Если затухание проиллюстрировать на логарифмической шкале в дБ на метр в функции от частоты в МГц, то результат даст хорошее приближение к линейной функции. Затухание, измеренное в дБ/м, таким образом, относительно линейно зависит от частоты, что означает, что затухание можно выразить математически как экспоненциальную функцию частоты. Это эмпирическое соотношение используется в настоящем изобретении для получения разрешения, которое ранее не было реализовано при вычислениях временных задержек с использованием сигналов непрерывного излучения со ступенчатым изменением частоты.

8. Математическая модель электромагнитных отражений от объектов в земле и других скрытых материалов

Если отклик приемной антенны при передаче электромагнитных волн, характеризуемых синусоидальным изменением во времени, измерить с помощью электронной аппаратуры, то для каждой излученной частоты может быть получено значение относительной амплитуды и фазы принятого сигнала.

Для каждой использованной частоты измеряется синусоидальный отклик, который математически может быть описан следующим образом:

ЬтС-)^—Ат^с°8(Щт1⁺фт)? ⁽¹⁰⁾ где 1т_т(1) - синусоидальное напряжение с амплитудой А_т, угловой частотой ω_π1=2π1'„ и начальной фазой ф_т;

- время.

Каждое измерение дает комплексное число Нт(1)=Атехр(]фт).

На приемную антенну воздействует приходящая ЭМ волна, которая с хорошим приближением может толковаться как сумма волн, образующих задержанный во времени и ослабленный отклик на излученную волну. В радиолокаторе непрерывного излучения со ступенчатым изменением частоты такие отклики имеют, разумеется, ту же частоту, что и напряжение переменного тока передающей антенны. Задержанные во времени составляющие являются следствием наличия ряда отражателей. Следовательно, математически принятый отклик может быть выражен следующим образом:

д

Н_т = А ехрО’фЭ = Σ^σ^ ехр(Л^_т ²^Л) (11)

4=1

Здесь измеряемая величина Н_т с амплитудой А_т и начальной фазой φ_π1 выражена как сумма Ь составляющих, каждая с амплитудой а_к,_т и с фазой, пропорциональной частоте £_т измерений, и с задержкой т_к,_т для одиночного отражателя. Ввиду экспоненциальной частотной зависимости затухания, ак,т можно выразить следующим образом:

ак,т=Ск’ехр(-Гк2п£т)(12) и поэтому получим:

кН_т = АехрСдрД = ехр{(-г_к +ТЧ)^2лА,}(13)

4=1 с_к' - комплексные коэффициенты, представляющие частотно-зависимое затухание, а также поворот фазы, что, в числе прочего, обусловлено эффективным коэффициентом отражения для одиночного отражателя. В (13) исключен индекс т, так как в математической модели предполагаем, что с_к', г_к, т_к не зависят от частоты. Если осуществлять измерения на ряде частот, которые эквидистантно расположены на интервале, как выражено в (9), то можно представить (13) в виде

г. _

Н_т = А_т ехр(Др_я) = Е ^ехР{*Х ⁺Ж )2π(/₀ + д»} (14) или д

Н_т = ехрСу^) = Σ^σλ ехр{(г_х +;А)2ла/т} (15)

4=1

В (15) с_к=с_к’ехр[(г_к+]Т_к)2п£₀], и, следовательно, получено уравнение, в котором комплексные экспоненты пропорциональны т, поскольку А£ - постоянная величина.

Основываясь на этих уравнениях и в результате частотной характеристики передаточной функции, измеренной на ряде дискретных частот, как указано в (9), можно записать систему уравнений в следующем виде:

д

Н_ш = А„ ехр(;^) = Σ С (Л Г

4=1(16а) или

Нт=С1(Р1)^т+С2(Р2)^т+... СДРОА т=1...М,(16Ь)

т. е.

Н1=С1Р1+С2Р2+... С_ЬР_Ь

Н2=С1(Р1)²+С2(Р2)²... СДРД²(16с)

Нм=С1(Р1)^м+С2(Р2)^М+... С_Ь(Р_Ь)^М

Данная система состоит из М уравнений с 2Ь неизвестными комплексными компонентами. Обычно будет обеспечено больше измерений, чем неизвестных компонентов, т.е. М>2Ь, и, следовательно, система уравнений становится переопределенной. Такая переопределенная система уравнений должна решаться способом наименьших квадратов. Система уравнений в (16), основанная на М измерениях, может быть решена посредством модифицированного так называемого Ргопу-способа, использующего декомпозицию вырожденных значений (ДВЗ) и/или так называемую ^Κ-декомпозицию. Хорошие результаты могут быть получены с помощью модифицированного Ргопу-способа и с помощью 8йапк8-способа в комбинации с ^Κ-декомпозицией или ДВЗ.

Решение вышеупомянутой системы уравнений по методу наименьших квадратов приводит к получению 2Ь комплексных чисел: С_к=В_кехр(] ф_к) или Р_к=ехр{(-г_к+)т_к)Л£}, к=1...Ь, (17) где В_к - амплитуда, фк - фаза, г_к - коэффициент затухания, т_к - временная задержка для к-го отражателя,

А£ - использованный интервал дискретизации в частотной области.

Описанная здесь математическая модель для измеряемых радиолокационных сигналов сформулирована в соответствии с тем фактом, что затухание в почве проявляет примерно экспоненциальную частотную зависимость.

Модель обеспечивает улучшенное решение для временных задержек по сравнению с методом Фурье при идентичных физических условиях.

Для решения уравнений, использованных в модели, можно использовать практически различные аппроксимации и формы записи, часть которых очевидна из возможных вариантов осуществления, включая прилагаемые компьютерные программы. Практическая проблема в решении соотношения (17) состоит в том, что временная задержка для отражателей будет различной при различных углах поворота, что является результатом электрического шума и вышеупомянутых неизбежных отклонений характеристик почвы и т.п. Это является практической проблемой, так как необходимо обеспечить возможность выполнения углового Фурьеанализа при некоторых выбранных временных задержках. По этой причине и по другим причинам, связанным с вычислениями, может быть использована альтернативная математическая формулировка уравнений (15)-(17).

Р₁... Р_ь в (16) и (17) могут трактоваться как корни так называемого характеристического полинома, полученного из однородного дифференциального уравнения, описывающего контекст между значениями Н_т для различных т.

Уравнение (16) может быть сформулировано в виде так называемой модели рационального полинома вида _{= =}ад

I+<2^'т-.+^г'⁷' А (г)

Η(ζ) - рациональная функция с полиномом Β(ζ) числителя и с полиномом Α(ζ) знаменателя по переменной ζ, представляющей оператор частотного сдвига для частотного сдвига Δ£. Следует отметить, что Н_т, как выражено в (16), может рассматриваться как разложение в ряд по корням полинома Α(ζ).

Представление (18) также определяется как функция с авторегрессивным смещением среднего. Коэффициенты в (18) и, следовательно, коэффициенты в (16) могут быть аппроксимированы посредством ряда методов.

Возможный вариант осуществления изобретения использует так называемый Ргопуспособ в модифицированной форме для определения полинома знаменателя и ЗЕапкз-способ для определения полинома числителя; они реализованы в прилагаемых компьютерных программах и использованы для вычисления кривых, иллюстрируемых в данном описании. Прилагаемые компьютерные программы иллюстрируют возможные варианты осуществления алгоритмов, которые позволили получить хоро шие результаты, причем их можно выполнить посредством общедоступных электронных интегральных схем, выполняющих вычислительные функции, причем за такое малое время, что изобретение можно использовать в устройстве, которое перемещается с довольно высокой скоростью над землей.

Если функция Η(ζ), описываемая уравнением (18), определена в форме коэффициентов Ь₀,... Ь_ч или а_ь... а_ь и тем самым получено функциональное уравнение для аппроксимирования частотно-зависимой передаточной функции (по одной на угол, при котором осуществлено измерение), то легко можно вычислить соответствующую временную функцию. Соответствующая временная функция вычисляется путем подстановки ζ в (18):

Ζ=Θχρ(ΐ2πΐΔί), 0<ΐ<1/(2Δί) (19) и поэтому

Ε(ΐ)=Η[Θχρ(ί2πΐΔί)], 0<ΐ<1/(2Δί) (20)

Следует подчеркнуть, что временная функция здесь не идентична временной функции в уравнениях (2) и (3). Зависящая от времени функция 1(ΐ), полученная из (19) и (20), не существует физически, но она оказалась полезной для обнаружения объектов в земле. Функция 11(1) является непрерывной (и периодической по ΐ), но часто на практике вычисляется для ряда дискретных значений во времени ΐ.

Математическая модель, представленная здесь, основывается на ряде предположений относительно измеренных частотных данных и, следовательно, о физических свойствах окружающей среды, включая следующее:

- затухание электромагнитных волн при распространении имеет экспоненциальную частотную зависимость,

- временные задержки являются частотно независимыми,

- число отражателей конечно, здесь определено как Е.

В реальности ни одно из этих предварительных условий не выполняется полностью.

Существенным преимуществом изобретения является то, что оно обеспечивает возможность надежного определения уровня и временной задержки сигналов существенных отражателей даже в ситуации, когда упомянутые идеальные условия не имеют места.

Необходимо обратить внимание на следующее. Обсуждаемая промоделированная здесь функция Нт сформирована как измеряемый частотный отклик в радиолокаторе непрерывного излучения со ступенчато изменяемой частотой и поэтому является комплексной с фазовым и амплитудным значением. Как вариант, Н_т может быть представлено действительной и мнимой частями. Помимо шума и иных неточностей, действительная часть и мнимая часть Нт содержат ту же самую информацию, и обе они достаточны для выполнения вычислений коэффициентов в (18) или в (16).

Вышеуказанная модель может быть успешно использована для моделирования действительных последовательностей. Соотношение (16а) может быть модифицировано в следующем виде:

4=1 4-1

Р_к’ в вышеприведенных соотношениях будет существовать в виде комплексносопряженных пар, чтобы суммирование было действительным. Соответствующие соотношения применимы для корней в Α(ζ) в соотношении (18).

Могут иметься некоторые практические преимущества в использовании только действительной или только мнимой частей Н_т. В возможном варианте заявленного способа используется Ке(Н_т). Преимущество, главным образом, связано с измерением Н_т, которое в представленном варианте осуществления реализуется в системе, использующей как аналоговые, так и цифровые методы.

9. Двумерный анализ сигналов

Если используются сигналы радиолокатора непрерывного излучения, вышеописанное решение Фурье для зависимости измерений от угла поворота антенной системы, расположенной в произвольном угловом положении, зачастую оказывается недостаточным само по себе для достижения надежного обнаружения удлиненных объектов в земле. Во многих случаях в полном измеренном сигнале будут преобладать отражения, нежелательные в данном случае и обусловленные поверхностью земли и неоднородностями в земле. Поэтому непрерывный сигнал лишь в незначительной степени будет проявлять угловую периодичность, хотя он содержит отражение, например, от кабеля в земле. Для получения наилучшего возможного выделения угловой зависимости в поляризационночувствительных отражениях от объектов полезно разложить измеренный сигнал как по углу, так и по времени. Если сигнал измеряется во времени и результатом является импульс или иной переходный процесс, электрическое напряжение, приложенное к передающей антенне, будет достаточным для осуществления углового решения Фурье для различных сигнальных составляющих, соответствующих различным временным задержкам. Но если сигнал представляет собой непрерывный сигнал со ступенчатым изменением частоты, комбинация вышеописанных двух методов анализа может быть использована для углового разрешения Фурье и временного анализа на основе экспоненциального моделирования соответственно.

Функция Η(θ), введенная в разделе 3 и 4, представляющая комплексную передаточную функцию, измеряется при различных углах поворота θ и при различных частотах и может поэтому рассматриваться как функция двух переменных: угла θ и частоты £, т.е. Нф, ί). Поскольку на практике измерение выполняется при дискретных углах и дискретных частотах, и если используется ^т)=Л£т+Е, т=0, 1..., М-1 и θ=Δθη, п=0, 1..., N-1, то получим Н в виде:

^Δθη, Δ Гт) или просто

Н(т, η), т=0, 1..., М-1, п=0, 1..., N-1 (21)

Последняя компактная форма в (21) применяется, когда Δθη и Δίηι определены. Н(т, п) это набор чисел с NхМ комплексными элементами.

Если производится преобразование частотной переменной во время, например, методом, описанным в разделе (8), для каждого из значений θ, т.е. для каждого п, то получим N зависящих от времени функций, в целом рассматриваемые как дискретная двумерная функция: по θ и по времени ΐ: Η(θ, ΐ). На практике 1ι(θ, ΐ) будет вычисляться в дискретных точках и примет вид:

Η(Δθη, Δΐί) или Η(η, ΐ), 1=0, 1..., Ι_ΐ-1, п=0, 1..., N-1 (22) ν_ί(Ε), как определено в уравнении (8) в разделе 4, является преобразованием Фурье функции Н и, следовательно, не дает непосредственной информации о временной зависимости измеренного значения.

Поэтому на практике является важным преимуществом осуществление преобразования Фурье функции Η(θ, ΐ) или 1ι(η, 1) в угол или в η соответственно, чтобы выделить содержимое угловых гармоник сигнала при различных временных задержках (и, следовательно, глубинах). Таким образом, на практике используется очень полезная альтернатива соотношения (8):

Л^-1 г,‘ (^к) = Σ М^пл)ехр(у(2к / /У>А), к = 0..N -1 /7=»0 (23) где ΐ - постоянная в процессе суммирования в (23), представляющая фиксированное значение временной задержки.

Если (23) вычислить для ряда значений 1, то получим двумерный набор чисел по к, 1, где к соответствует угловой гармонике, а ΐ соответствует квантованной временной задержке, т.е.

У-1 = У^(п>0^ехр(./(2к/ к = ^..Ы — \, ί = ί_Γ.ΐ₂ (24)

Число точек во времени равно: Ι_ΐ=ί₂-ί₁+1. Временной индекс проходит от ΐ₁ до ΐ₂, включая оба эти значения, соответственно подходящему временному интервалу.

ν₍(1<, ΐ) формируется путем преобразования Фурье Ι_ΐ функций для каждых N точек. При этом используются не действительно двумерные функции, а комбинации одномерных функций (последовательности чисел). В (24) преобразование частоты во время выполняется при наличии результата 1ι(η, 1) перед вычислением угловой гармоники. Альтернативный способ вычис43 ления функции, соответствующей ν/к, 1), состоит в следующем: сначала преобразование Фурье измеренных частотных данных в угол, затем преобразование частоты во время. Не приводится функциональное уравнение для процедуры по Ргопу-способу, описанному в разделе 8, для преобразования частоты во время. Для удобства здесь используется следующая запись: х(()=Ргопу[Х(!)] для процедуры в целом. После этого альтернативное вычисление ν/к, ΐ) может быть записано в краткой форме:

ν/к, 1)=Ргопу[У£(к, т)], где (к,т) = Σ Я(и,т)ехр(У(2ги / Х)п£), А = 0..//-1 щ= 0,1..М-1 ⁽²⁵⁾

Следует обратить внимание, что т, п, к и ΐ индексы для частоты, угла, угловой гармоники и времени соответственно.

10. Кривые обнаружения

Угловая зависимость на различных глубинах в земле соответственно различным расстояниям, основанным на времени, будет наиболее часто переменной. Аналогичным образом, это применимо к окружающей обстановке для антенн в целом. Например, удлиненный отражающий объект будет демонстрировать периодичность, примерно сходную с описываемыми уравнениями (4) и (5), в то время как материал над объектом будет проявлять иную, возможно меньшую, степень периодичности. Путем вычисления уровня угловой гармоники, соответствующей двум периодам на вращение, при различных временных задержках может быть получена полезная кривая обнаружения, которая содержит в себе функцию времени (глубины) и которая концентрирует результат измерений и связанные с этим вычисления в наглядном виде.

Кривые обнаружения вычисляются путем суммирования соответствующей гармоники в ν/к, ΐ). Примерами формул для кривых обнаружения являются:

ϋ1(ί)=^ι, 1)|+|ν_ί(Κ2, 1)|, 1=11...12, (26) где к₁ и к₂ соответствуют выбранной угловой гармонике, например, соответствующей двум периодам на поворот.

Значение Ό₁ вычисляется для каждого выбранного значения ΐ, соответствующего каждой анализируемой временной задержке.

Необходимо отметить следующее. Два значения к используются потому, что вычисление коэффициента Фурье в соответствии с формулами (24) или (25) приводит к вычислению того, что соответствует положительной и отрицательной частоте для каждой гармоники, что является математически обусловленным следствием используемого определения коэффициентов Фурье и фундаментальных значений. Если разлагаемая в ряд по Фурье последовательность выполняет определенные требования, то одним из двух связанных коэффициентов можно пренебречь, но в общем случае это не имеет места.

При идеальных условиях угловая зависимость, соответствующая уравнениям (5а1) или (5а2), будет получена с использованием круговой поляризации. Такие угловые зависимости приводят к определенному значению к при разложении угловых гармоник по Фурье.

Другими примерами кривых обнаружения, которые можно использовать, являются следующие:

ϋ₂(ί) =|А(к_ь 1)+А*(к2, 1)|, 1=11...12,(27) где символ * означает комплексное сопряжение, и

Из(1)=|А(к1, ί)-ν№, I), 1=11...12(28)

В общем виде эти кривые обнаружения можно выразить следующим образом:

β(ί) = |Σ(29) где А_к{ } представляет подходящую функцию выбранной гармоники. Примеры приведены в (26), (27) и (28).

А - множество, содержащее выбранные гармоники.

Пример. Необходимо обнаружить удлиненные объекты, причем предполагается, что они имеют относительно высокое содержание гармоник, соответствующих двум периодам на поворот антенн, которые имеют линейную поляризацию, т.е. типа 1. Измерение выполняется с угловыми интервалами 22,5° и рассматривается 4 поворота сразу, т.е.: Δθ=2π/16 (радиан) и N=64. В этом случае релевантные значения к таковы: к₁=8, к₂=56. Можно сослаться на уравнения (24) и (25).

Поскольку локальные неоднородности вблизи антенны приводят к распространению энергии сигнала по большому количеству угловых гармоник, то имеет смысл взвесить уравнение (29) по отношению к энергии гармоник за пределами множества А, что может быть реализовано следующим образом:

Данное выражение представляет измерение относительного уровня выбранных гармоник при данной временной задержке.

Кривые обнаружения могут быть в общем случае получены из функций ν/к, ΐ), характеризующих поляризационно-чувствительный временной отклик угловых гармоник от объектов. Изменения времени, связанные с местоположением объекта, в измеренных сигналах могут быть рассчитаны в среднем, путем определения кривых обнаружения в малом временном интервале, соответствующем большинству значений индекса 1. Кривые обнаружения концентрируют большое число измерений в единую кривую, выражающую определение того, существуют ли объекты с заданной периодичностью или постоянной угловой зависимостью в сканируемых по углам областях на земле.

При вычислениях Ώ(ΐ) в типовом случае включаются только две гармоники (2 значения к), что означает, что необходимое частотновременное преобразование с использованием способа на основе радиолокатора непрерывного излучения со ступенчато изменяемой частотой требуется выполнить только для двух релевантных гармоник, если перед частотно-временным преобразованием выполнено разложение по Фурье по угловым гармоникам. Это соответствует использованию уравнения (25), символизирующего процедуру, включающую в себя Ргопуспособ. Ргопу-способы связаны с довольно значительными вычислениями. Поэтому способ, начинающийся с разложения по Фурье по угловым гармоникам с последующим вычислением по Ргопу-способу в типовом случае двух выбранных гармоник и с заключительным вычислением кривой обнаружения, представляет собой наиболее эффективный способ.

Данный способ проиллюстрирован с помощью примеров, приведенных в приложении.

В вышеизложенном описании речь шла о выделении удлиненных объектов, но подобные кривые обнаружения могут быть сформированы для любых типов объектов. Объекты с вращательной симметрией (относительно линии визирования антенн), например, проявляют относительно высокое содержание среднего значения в ряду Фурье соответственно к=0 в формулах (24) и (25). Поэтому А в (29) может быть в этом случае ограничено до А={0}.

11. Определение направления удлиненных объектов

Настоящее изобретение обеспечивает возможность определения направления удлиненных объектов без использования эталонных измерений. Определение направления выполняется в связи с известным физическим выполнением и ориентацией антенн. Определение направления производится с учетом множества кривых, представляющих уровень отражений, измеренных при соответствующих значениях углов поворота и временных задержек, например полученных с помощью методов, описанных выше. Используется математическая запись, приведенная выше, но когерентные значения угла и временные задержки, полученные иными способами, могут дополнительно использоваться в качестве исходной точки для определения направления. Набор чисел, символизируемый 11|(п, ΐ) в уравнениях (24) или (25), при наличии отражений от удлиненного объекта, будет показывать угловую периодичность в определенном временном интервале, где объект позиционируется по времени, как показано на графиках, иллюстрирующих периодическую последовательность на перпендикулярном поперечном сечении при 31 или при 22,5 нс. Индекс ΐ в 11|(п, ΐ) соответствует времени, и если |11,(п, ΐ)| представить графически как функцию от п для фиксированного значения ΐ=ΐ₈ вблизи связанного с временем положения объекта, то получится частично периодическая последовательность по п, соответствующая углу. Графически представленная функция может быть математически записана как

Α_ν(η, 1а)=|к₁(п, 1_а)|, 1=1_а, п 0..Ν-1 (30а)

Как вариант, может быть использовано соотношение

Аν(η, 1а)=к₁(п, 1а)к₁*(п, 1а), 1=1а, П=0.^-1(30Ъ)

Здесь символ * соответствует комплексному сопряжению.

В процессе радиолокационных измерений антенная система вращается относительно удлиненного объекта в земле, начиная с неизвестного начального угла θ₀. Если используемая антенная система работает на совпадающей поляризации (тип 1), локальные максимумы Α_ν(ιι, 1_а) будут иметься для к значений, соответствующих θ₀+0°, 180°... и т.д. Если антенная система работает на кросс-поляризации (тип 2), то будут существовать максимумы при значениях углов θ₀+45°, 90°, 135°... и т.д. Следует отметить, что частота для выражения Α_ν(ιι, 1_а) по углу удвоена для антенны типа 2 по сравнению с антенной системой типа 1. Кривые для примеров, иллюстрируемых чертежами, соответствуют антенной системе типа 1.

На практике угловая зависимость 11|(п, 1_а) в (30) не будет соответствовать простым уравнениям, как в случае уравнений (4) и (5). Вследствие этого угловое определение не выполняется непосредственно на основе Α_ν(ιι, 1_а), а основывается на преобразовании Фурье от Α_ν(ιι, 1_а). Сканированные максимумы для Α_ν(ιι, 1_а) совпадают с максимумами в синусоидальной кривой, соответствующей определенной гармонике в ряду Фурье Α_ν(ιι, ΐ₈). Необходимая гармоника является одной соответствующей двум максимумам на поворот для антенн типа 1 и четырем максимумам на поворот для антенн типа 2. Термин «поворот» определен как вращение поляризации, возможно путем вращения антенной системы. Фаза релевантной комплексной составляющей Фурье прямо пропорциональна смещению максимумов, упомянутых в связи с положением, с которым совпадает первый максимум при п=0. Поэтому значение индекса п, соответствующее смещению, вычисляется из фазы для релевантной гармоники. Индекс гармоники к₂, соответствующий двум максимумам на поворот, может быть получен следующим образом:

к₂ ΝΔθ/180 (Δθ в градусах), (31 а) а соответствующий четырем максимумам на поворот - как показано ниже:

Ει=ΝΔθ/180 (Δθ в градусах) (31Ъ)

Соответствующая составляющая Фурье вычисляется следующим образом:

Х,(О = Х|А(^Ь)|ехрО(2л/ ^пк₂), (31С) л«0 при к=к₂ и соответственно при к=к₄.

Χ_ν(ί₃) - комплексное число, из фазы которого просто определяется начальный угол антенны по отношению к удлиненному объекту, как описано ниже.

Антенны типа 1.

Смещение соответствующих максимумов в связи с η=0 может быть определено относительно η=0 следующим образом:

ηο=φ₃/(2Δθ) (все углы в градусах), (р.уАХ.Хр^фаза к₂-гармоник (32а) η₀ - не является целым. Следовательно, угол объекта по отношению к линейной поляризации антенной системы типа 1 равен:

θ₀=φ₃/2 (все углы в градусах), (р.уАХ.Ююфаза к₂-гармоник (32Ь)

Следует отметить, что начальный угол антенной системы относительно объекта, вычисляемый как θ₀ в (32), может быть получен с лучшим разрешением, чем соответствующий приращению угла Δθ между каждым измерением. Можно использовать возможность интерполяции разрешения Фурье и θ0 можно в принципе определить с произвольным разрешением, ограничиваемым только шумом, неточностями измерения и т.д. Смысл θ₀ поясняется в связи с фиг. 7Ь.

Антенны типа 2.

В данном случае число периодов в Χ_ν(ί₃) на поворот удваивается по сравнению с антеннами типа 1. Смысл θ₀ поясняется в связи с фиг. 7а, причем необходимо дополнительно ввести угол 45°.

Другие типы антенн.

Антенны с круговой или эллиптической поляризацией могут рассматриваться как линейные комбинации антенн типа 2, а ориентация объектов может быть определена по процедуре, соответствующей представленной в настоящем описании.

12. Возможные способы обнаружения и определения местоположения кабелей и труб в почве

Вышеописанные математические методы для анализа сигнала в области углов/угловых гармоник и в частотно-временной области соответственно могут быть эффективным образом объединены различными путями. В последующем будут описаны некоторые такие комбинации, применимые на практике.

Ниже приводятся двумерные множества чисел, поскольку наиболее часто наиболее соответственными являются дискретные значения. Эти множества чисел могут трактоваться как элементы матрицы, и каждая из строк или столбцов в матрице может рассматриваться как последовательность. Кривые или функции и функциональные значения описываются синонимичным образом. Предпочтительные варианты осуществления, представленные изобретателями, основываются на дискретных частотах, углах, угловых гармониках и моментах времени, что обосновывается применением цифровой памяти и вычислительных блоков, несмотря на то, что представленные примеры реализуются посредством непрерывных функций.

Принципы изобретения применимы также к непрерывным частотам, углам поворота, угловым гармоникам и моментам времени.

Процедура № 1 .

Содержит следующие этапы:

1.1. Антенное устройство типа 1 или 2, как описано в разделах 3 и 4, размещается на земле или над землей при произвольной ориентации, однако примерно горизонтально.

1.2. Передаточная функция по напряжению между передающей и приемной антеннами измеряется на ряде частот. Измеренные значения запоминаются.

1.3. Антенное устройство поворачивается механически или электрически на целое кратное угла Δθ. Типовое значение Δθ может составлять 22,5° или 45° соответственно 1/16 или 1/8 полного поворота. Одновременно с вращением антенна может быть незначительно перемещена поступательно, в данном случае это соответствует перемещению антенны в процессе ее вращения над землей.

1.4. Передаточная функция по напряжению между передающей и приемной антеннами измеряется на нескольких частотах. Измеренные значения запоминаются.

1.5. Этапы 1.3. и 1.4. повторяются до тех пор, пока не будет выполнено соответствующее число измерений при соответствующем числе угловых позиций. Это число зависит от конкретных обстоятельств. Практически приемлемыми количествами используемых углов могут быть, например, следующие: 8, 16, 32, 64. В результате получают множество комплексных чисел, представляющих измеренные значения передаточной функции по напряжению для когерентных значений углового поворота и частоты. Результат может быть сведен к множеству действительных чисел соответственно действительным частям упомянутого множества комплексных чисел.

1.6. Полученные результаты измерений преобразуются из частотной области во временную область. Для этой цели применяется математический метод, основанный на экспоненциальной модели, описанной в разделе (8). Результатом является ряд оценок отражателей, их уровень, фаза и временная задержка. Преобразование из частотной области во временную область выполняется для каждой частотно-зависимой передаточной функции, связанной с конкретным углом. Таким образом, для каждого угла получается зависящая от времени непрерывная во времени периодическая функция, которая вычисляется для соответствующего числа дискретных моментов времени. Одно и то же время вычислений используется для всех углов. Результатом является множество двумерных ком плексных чисел. Последовательность соответствует математической функции, имеющей дискретизированный угол поворота и время, дискретизированное как независимая переменная.

Комментарий: Примеры результата процедуры 1.1.-1.6. показаны на фиг. 13а, 14а, 15а, 16а, 17а. Во многих случаях при рассмотрении этих результатов могут быть выявлены периодические по углу объекты. На фиг. 13а иллюстрируется объект, представляющий собой трубу из пластика длиной 160 мм, содержащую воду, при временной задержке около 31 нс на глубине 135 см в почве.

Процедура № 2.

2.1. Этапы 1.1.-1.6. соответствуют процедуре № 1 .

2.2. Для каждой точки во времени, использованной на этапе 2.1., выполняется преобразование Фурье с использованием угла в качестве независимой переменной. В результате получают двумерное множество комплексных чисел. Это множество чисел соответствует математической функции, имеющей угловую гармонику и время в качестве независимых переменных.

2.3. На основе двумерного множества чисел, полученного на этапе 2.2., вычисляется одномерная функция по времени Ό(ΐ) с использованием одного из методов, описанных выше в разделе 10.

2.4. Дискретная функция времени, полученная на этапе 2.3., сканируется для нахождения локальных и глобальных максимумов, которые демонстрируют значительный уровень по сравнению со средним значением. Такие максимумы представляют периодические по углу отражения от удлиненных объектов. Значение времени, соответствующее индивидуальному максимуму, устанавливает временную задержку отражений от соответствующего объекта. Сканирование для нахождения максимумов может выполняться механически или путем анализа кривой.

Комментарий: Временные задержки, вычисленные таким образом, могут, с учетом известности скорости распространения радиоволн в земле, использоваться для вычисления глубины объектов. Примеры результата этапов 2.1.-

2.2. процедуры показаны на фиг. 13с, 14с, 15с, 16с, 17с.

Примеры результата этапов 2.1.- 2.3. процедуры показаны на фиг. 13е, 14е, 15е, 16е, 17е, где представлены кривые обнаружения, вычисленные в соответствии с (28).

Процедура № 3.

Состоит из процедуры 1 или соответствующих разделов и дополнительных вычислений.

3.1. Этапы 1.1.-1.6. соответствуют аналогичным этапам процедуры 1.

3.2. На основе результата этапа 3.1. вычисляется угловое положение относительно антенной системы с использованием метода, описан ного в разделе 11. Угловое положение вычисляется для одного или нескольких периодических по углу объектов, которые могут быть обнаружены или для которых может быть определено время путем визуального анализа результата этапов 1.1.-1.6. по процедуре 1 или с использованием кривых обнаружения, как описано в процедуре 2.

Комментарий: Если антенная система предусматривает механическое вращение, то при этом определяется угловое положение в начальном положении относительно удлиненных объектов. Если вращение выполняется путем сдвигов между антенными элементами при фиксированном угловом положении, то угловое положение определяется направлением поляризации, соответствующим первому измерительному положению, и тем самым угловое положение всего антенного устройства по отношению к удлиненному объекту (объектам). Примеры результата этой процедуры представлены на фиг. 15к,1.

Процедура № 4.

Содержит следующие этапы:

4.1. Антенна типа 1 или 2, как описано в разделе 3 и 4, размещена на земле или над землей при произвольной, однако приближенно горизонтальной ориентации.

4.2. Передаточная функция по напряжению между передающей и приемной антеннами измеряется на ряде частот. Измеренные значения запоминаются.

4.3. Антенное устройство поворачивается механически или электрически на целое кратное угла ΔΘ. Типовое значение Δθ может составлять 22,5° или 45° соответственно 1/16 или 1/8 полного поворота. Одновременно с вращением антенна может быть незначительно перемещена поступательно, в данном случае это соответствует перемещению антенны в процессе ее вращения над землей.

4.4. Передаточная функция по напряжению между передающей и приемной антеннами измеряется на нескольких частотах. Измеренные значения запоминаются.

4.5. Этапы 4.3. и 4.4. повторяются до тех пор, пока не будет выполнено соответствующее число измерений при соответствующем числе угловых позиций. Это число зависит от конкретных обстоятельств. Практически приемлемыми количествами используемых углов могут быть, например, следующие: 8, 16, 32, 64. В результате получают множество комплексных чисел, представляющих измеренные значения передаточной функции по напряжению для когерентных значений углового поворота и частоты. Результат может быть сведен к множеству действительных чисел соответственно действительным частям упомянутого множества комплексных чисел.

4.6. Полученные на этапе 4.5. результаты измерений подвергаются преобразованию Фу51 рье по углу. Для каждой из частот, использованных на этапе 4.5., выполняется преобразование Фурье с использованием угла в качестве независимой переменной. В результате получается двумерное множество комплексных чисел. Это множество чисел соответствует математической функции, использующей угловую гармонику и частоту измерений в качестве независимой переменной.

Комментарий: Полученное множество чисел является двумерным, что может трактоваться как ряд частотно-зависимых кривых, по одной на каждую угловую гармонику, или как ряд функций гармоники, по одной на каждую частоту измерений.

Процедура № 5.

Содержит этапы процедуры № 4 или соответствующие им этапы и дополнительные вычисления.

5.1. Этапы 4.1.-4.6. по процедуре № 4 или соответствующие им этапы.

5.2. Множество чисел, полученных на этапе 5.1., преобразуются из частотной области во временную область. Ряды, соответствующие каждой из угловых гармоник, преобразуются посредством математического метода, основанного на экспоненциальной модели, или соответствующего метода, описанного в разделе 8. Результатом является ряд оценок отражателей, их уровень, фаза и временная задержка. Таким образом, для каждой угловой гармоники получают зависящую от времени непрерывную по времени и периодическую функцию, которая вычисляется для соответствующего числа дискретных моментов времени. Идентичные точки вычислений во времени используются для каждой из угловых гармоник. В результате получают двумерное множество комплексных чисел. Это множество чисел соответствует математической функции, использующей дискретизированную угловую гармонику и дискретизированное время в качестве независимых переменных.

Комментарий: Полученное множество чисел является двумерным, что может трактоваться как ряд зависимых от времени кривых, по одной на каждую угловую гармонику, или как ряд кривых или функций гармоники, по одной на каждый момент времени. Данное множество чисел может быть проиллюстрировано, и при анализе могут быть обнаружены объекты путем идентификации глобальных или локальных максимумов для выделенных гармоник, в типовом случае двух гармоник соответственно двум периодам на поворот поляризации.

Процедура № 6.

Содержит этапы процедуры № 4 или соответствующие им этапы и дополнительные вычисления.

6.1. Этапы 4.1.-4.6. по процедуре № 4 или соответствующие им этапы.

6.2. Множество чисел, полученных на этапе 6.1., преобразуются из частотной области во временную область. Ряды, соответствующие каждой из угловых гармоник, преобразуются посредством математического метода, основанного на экспоненциальной модели, или соответствующего метода, описанного в разделе 8. Результатом являются ряд оценок отражателей, их уровень, фаза и временная задержка. Таким образом, для каждой угловой гармоники получают зависящую от времени непрерывную по времени и периодическую функцию, которая вычисляется для соответствующего числа дискретных моментов времени. Идентичные точки вычислений во времени используются для каждой из угловых гармоник. В результате получают двумерное множество комплексных чисел. Это множество чисел соответствует математической функции, использующей дискретизированную угловую гармонику и дискретизированное время в качестве независимых переменных, но только для выбранных угловых гармоник.

6.3. На основе двумерного множества чисел, полученного на этапе 6.2., вычисляется одномерная функция времени Ό(ΐ) с использованием методов, описанных выше в разделе 10.

6.4. Дискретная функция времени, полученная на этапе 6.3., сканируется для нахождения локальных и глобальных максимумов, которые демонстрируют значительный уровень по сравнению со средним значением. Такие максимумы представляют периодические по углу отражения от удлиненных объектов. Значение времени, соответствующее индивидуальному максимуму, устанавливает временную задержку отражений от соответствующего объекта. Сканирование для нахождения максимумов может выполняться механически или путем анализа кривой.

Комментарий: Как описано в разделе 10, две из угловых гармоник часто выбираются в соответствии с двумя периодами на поворот. Если антенна типа 1, как описано выше, часто используются две гармоники, которые соответствуют положительной или соответственно отрицательной частоте, соответствующей двум периодам на поворот. Поскольку только временные последовательности требуют вычисления, например, двух гармоник, и, следовательно, используются только два Ргопу-преобразования, то процедура является весьма эффективной с точки зрения вычислений. Временные задержки, вычисленные таким способом, могут, с учетом известности скорости распространения радиоволн в земле, использоваться для вычисления глубины объектов. Примеры результата этапа

6.1. процедуры 6 представлены на фиг. 13Ό, 14Ό, 15Ό, 16Ό, 17ЭВ. на которых кривые обнаружения вычислены в соответствии с уравнением (28).

Процедура № 7.

Содержит следующие этапы:

7.1. Антенное устройство типа 1 или 2, как описано в разделе 3, размещается на земле или над землей с произвольной, однако примерно горизонтальной ориентацией.

7.2. Импульс напряжения, который должен быть импульсом с коротким периодом, прикладывается к передающей антенне. Напряжение передающей антенны затем измеряется для ряда временных задержек.

7.3. Антенное устройство поворачивается механически или электрически на целое кратное угла Δθ. Типовое значение Δθ может составлять 22,5° или 45° соответственно 1/16 или 1/8 полного поворота. Одновременно с вращением антенна может быть незначительно перемещена поступательно, в данном случае это соответствует перемещению антенны в процессе ее вращения над землей.

7.4. Импульс напряжения, который должен быть импульсом с коротким периодом, прикладывается к передающей антенне. Напряжение приемной антенны затем измеряется для ряда временных задержек.

7.5. Этапы 7.3. и 7.4. повторяются до тех пор, пока не будет выполнено соответствующее число измерений при соответствующем числе угловых позиций. Это число зависит от конкретных обстоятельств. Практически приемлемыми количествами используемых углов могут быть, например, следующие: 8, 16, 32, 64. В результате получают множество чисел, представляющих измеренные значения передаточной функции по напряжению для когерентных значений углового поворота и частоты.

Множество чисел часто будет действительным. Если антенное устройство выполнено так, чтобы измерять две временные функции, которые взаимно ортогональны, - часто определяются как Ι(ΐ) и 0(1) - множество чисел будет комплексным.

Если измеренное множество чисел является действительным, то можно сформировать соответствующее ему множество комплексных чисел - в форме так называемого преобразования Гильберта - либо путем электрической фильтрации, либо путем вычислений с использованием измеренных дискретных значений.

Процедура № 8.

Содержит этапы процедуры № 7 или соответствующие им этапы и дополнительные вычисления.

8.1. Этапы 7.1.-7.5. по процедуре № 7 или соответствующие им этапы.

8.2. Для каждой точки во времени, использованной на этапе 8.1. (=временным задержкам), выполняется преобразование Фурье с использованием угла в качестве независимой переменной. В результате получают двумерное множество комплексных чисел. Это множество чисел соответствует математической функции, имеющей угловую гармонику и время в качестве независимых переменных.

8.3. На основе двумерного множества чисел, полученного на этапе 8.2., вычисляется од номерная функция по времени Ό(ΐ) с использованием одного из методов, описанных выше в разделе 10, или соответствующих методов.

8.4. Дискретная функция времени, полученная на этапе 8.3., сканируется для нахождения локальных и глобальных максимумов, которые демонстрируют значительный уровень по сравнению со средним значением. Такие максимумы представляют периодические по углу отражения от удлиненных объектов. Значение времени, соответствующее индивидуальному максимуму, устанавливает временную задержку отражений от соответствующего объекта. Сканирование для нахождения максимумов может выполняться механически или путем анализа кривой.

Комментарий: Временные задержки, вычисленные таким образом, могут, с учетом известности скорости распространения радиоволн в земле, использоваться для вычисления глубины объектов.

Процедура № 9.

Содержит этапы процедуры № 7 или соответствующей ей процедуры и дополнительные вычисления.

9.1. Этапы 7.1.-7.5. по процедуре № 7 или соответствующие им этапы.

9.2. На основе результата этапа 9.1. вычисляется угловое положение относительно антенной системы с использованием метода, описанного в разделе 11. Угловое положение вычисляется для одного или нескольких периодических по углу объектов, которые могут быть обнаружены или для которых может быть определено время путем визуального анализа результата этапа 9.1. или с использованием кривых обнаружения, как описано в процедуре 8.

Комментарий: Если антенная система предусматривает механическое вращение, то при этом определяется угловое положение в начальном положении относительно удлиненных объектов. Если вращение выполняется путем сдвигов между антенными элементами при фиксированном угловом положении, то угловое положение определяется направлением поляризации, соответствующим первому измерительному положению, и тем самым угловое положение всего антенного устройства по отношению к удлиненному объекту (объектам).

Процедура № 10.

Содержит этапы процедуры № 7 или соответствующие им этапы и дополнительные вычисления.

10.1. Этапы 7.1.-7.5. по процедуре № 7 или соответствующие им этапы.

10.2. Для каждой точки во времени, использованной на этапе 10.1. (=временным задержкам), выполняется преобразование Фурье с использованием угла в качестве независимой переменной. В результате получают двумерное множество комплексных чисел. Это множество чисел соответствует математической функции, имеющей угловую гармонику и время в качестве независимых переменных.

Комментарий: Результат преобразования Фурье измеренных радиолокационных сигналов в угол поляризации может посредством визуального анализа дать ценную информацию относительно объектов в земле.

Процедуры для использования круговой или эллиптической поляризации

Настоящее изобретение предусматривает также использование круговой или эллиптической поляризации. Процедуры, описанные выше, например процедуры №№ 1 и 4, используют антенны с линейной поляризацией, вращаемой механически или электрически, например, с помощью электронного сдвига между элементами. Если использовать круговую или эллиптическую поляризацию, то процедуры будут осуществляться соответствующим способом. Волны с круговой или эллиптической поляризацией и соответствующие им сигналы антенн могут быть разложены на составляющие, соответствующие линейной поляризации.

Если круговую или эллиптическую поляризацию получают с помощью линейно поляризованных антенных элементов и сигналы на их выводах можно измерить, то способы, описанные выше, можно применить непосредственно к индивидуальным линейным частям - с последующей их комбинацией или без нее. Это применимо независимо от того, возбуждаются ли линейно поляризованные элементы одновременно или по отдельности, и независимо оттого, существуют ли физически при измерениях круговая или эллиптическая поляризации, или соответствующие сигналы формируются в виде линейных комбинаций результатов измерений.

Настоящее изобретение также предусматривает то, что круговая или эллиптическая поляризации могут быть получены посредством одной или нескольких антенн, самих по себе излучающих электромагнитные волны с круговой или эллиптической поляризацией, например спиральных антенн. Электрические сигналы на выводах таких антенн делятся на ортогональные составляющие, и эти составляющие обрабатываются посредством способов, описанных в настоящем описании. Ортогональные составляющие сигналов часто определяются как квадратурные составляющие I и О. которые образуют в целом комплексное представление сигнала. Независимо от разделения сигнала на ортогональные составляющие, получаемого с помощью электрических схем или посредством алгебраических операций в цифровом компьютере (наиболее часто), обработка полученных сигналов производится согласно настоящему изобретению посредством описанных здесь способов.

Использование методов Фурье для преобразования из частотной области во временную область

В процедурах №№ 1, 5 и 6, описанных выше, используется способ, основанный на экспоненциальной модели, для определения временных задержек в радиолокационном сигнале, как описано в разделе 8. Настоящее изобретение также предусматривает процедуры, соответствующие описанным, где преобразование Фурье используется для преобразования из частотной области во временную область, включая использование решения Фурье по углу, как описано выше в комбинации с преобразованием Фурье частотно-зависимых данных измерений.

В процедуре № 1, этап 1.6., процедуре № 5, этап 5.2., и в процедуре № 6, этап 6.2., способ, основанный на экспоненциальной модели, может быть заменен на метод Фурье, включающий быстрое преобразование Фурье (БПФ).

Использование других видов сигналов, отличных от сигнала радиолокатора с непрерывным излучением со ступенчатым изменением частоты

Настоящее изобретение также предусматривает использование методов, описанных во взаимосвязи с другими формами сигналов, отличными от сигналов непрерывного излучения со ступенчато изменяемой частотой, которые соответствуют предпочтительному варианту осуществления. Импульсный радиолокатор используется в процедурах 7-10.

Методы, описываемые здесь, в комбинации с вращающейся поляризацией с перемещением над землей или без такого перемещения, могут быть с выгодой использованы независимо от формы используемого сигнала.

Могут использоваться следующие формы сигналов:

- с качанием частоты, т.е. линейночастотно-модулированное непрерывное излучение, при котором частота сигнала изменяется непрерывно в течение интервала времени,

- сигнал корреляционного радиолокатора, в котором используются частоты для произвольного времени, причем временные задержки отражений вычисляются посредством корреляционной обработки.

Обнаружение нескольких объектов

Обнаружение и определение направления описаны выше для индивидуальных объектов. Если несколько объектов присутствуют в одном и том же множестве радиолокационных измерений, методы, описанные здесь, дают возможность индивидуальной обработки для каждого из объектов, если связанные с ними временные задержки различны. Объекты на различных глубинах, в том числе пересекающиеся кабели и трубы, могут быть определены индивидуально посредством описанных способов. Модифицированные Ргопу-способы часто позволяют селектировать близко расположенные объекты.

Примеры выполненных вычислений

Представленные примеры основаны на измерениях, выполненных при обычных условиях в Дании. Таким образом, примеры являются полностью реалистичными и соответствуют обычно существующим условиям. Однако их не следует рассматривать как примеры вычислений, приведенные с целью характеризовать теоретические или принципиальные аспекты способов, соответствующих изобретению.

Таблица 12 иллюстрирует схему объектов, представленных в примерах 1-5.

Фиг. 13а-136, 14а-146, 15а-156, 16а-166 и 17а-176 - это результаты вычислений типа, упомянутого в разделе 9, иллюстрирующие вычисленный уровень сигнала в функции индекса угла η и времени в нс. Результаты вышеописанной процедуры № 1 на этапе 1.6. на фиг. 13а-17а представлены в форме трехмерных графиков и на фиг. 136-176 - то же самое в виде контурных графиков.

На фиг. 13с-136, 14с-146, 15с-156, 16с-166 и 17с-176 измеренный уровень сигнала представлен как функция индекса угла η и частоты в ГГц. Результаты вышеописанной процедуры № 1 на этапе

1.5. на фиг. 13с-17с представлены в форме трехмерных графиков и на фиг. 136-176 - то же самое в виде контурных графиков.

Фиг. 13е-13Г, 14е-14Г, 15е-15Г, 16е-16Г и 17е-17Г - это результаты вычислений, подобных упомянутым в разделе 9, иллюстрирующие вычисленный уровень сигнала в функции индекса угловой гармоники и времени в нс. Результаты вышеописанной процедуры № 2 на этапе 2.2. на фиг. 13е-17е представлены в форме трехмерных графиков и на фиг. 13Г-17Г - то же самое в виде контурных графиков.

Фиг. 13д-13й, 14д-14й, 15д-15й, 16д-16й и 17д-171 - это результаты вычислений типа, упомянутого в разделе 10, иллюстрирующие кривые обнаружения. Представлены результаты вышеописанной процедуры № 6 на этапе 6.3.

Фиг. 131-13], 141-14), 151-15), 161-16) и 17117_) - это результаты вычислений типа, упомянутого в разделе 10, иллюстрирующие кривые обнаружения. Представлены результаты вышеописанной процедуры № 2 на этапе 2.3.

Фиг. 15к-15о иллюстрируют пример определения направления с помощью вычислений, как описано в разделе 11, а также иллюстрируют результат вычислений, включенных в вышеописанную процедуру № 3.

Комментарий к примерам: все представленные примеры используют измерения, осуществленные с помощью антенной системы, в которой внутренняя временная задержка и временной интервал для прямой связи от передатчика к приемнику составляет примерно 11 нс. Эта включенная задержка не показана отдельно на приведенных кривых.

Примечание. Показанные кривые в приведенных примерах получены путем соединения дискретных значений прямыми линиями и, соответственно, не должны трактоваться как непрерывные функции или кривые.

Пример № 1 иллюстрирует на фиг. 13а и 136 явную угловую гармонику примерно на 31 нс, проявляющуюся в форме явных локальных максимумов на фиг. 13е и 13Г и дающую на кривой обнаружения на фиг. 1311 глобальный максимум, превышающий шумовой уровень примерно на 17 дБ. Следовательно, обеспечивается четкое обнаружение трубы, которая в случае георадиолокатора без вращения поляризации и соответствующего анализа сформировала бы сигнал на уровне многих других, без каких-либо характеристических признаков. На фиг. 13е и 13Г видно, что существенная периодичность имеет место в районе 15-20 нс, и что она селектируется процедурой в целом. Угловая гармоника, соответствующая 0ому порядку, т.е. среднему значению, имеет различимый максимум в районе 12 нс, что также отфильтровывается.

Измерения в примере № 2 осуществлялись при нормальных, но предпочтительных условиях. Здесь надежное обнаружение получено посредством только одного поворота с 16 измерениями. Если число вращений уменьшается наполовину, то получаются соответствующие результаты. Видно, что исходные частотные измерения на фиг. 14с и 146 демонстрируют значительную степень периодичности.

Пример № 3 иллюстрирует измерение с существенными мешающими отражениями на глубине, соответствующей временной задержке 14 нс. Однако видно, что эти мешающие отражения на окончательной кривой обнаружения, представленной на фиг. 151, ослабляются на 20 дБ по сравнению с глобальным максимумом, расположенным примерно в районе 22 нс.

Фиг. 15к-15о иллюстрируют пример определения направления. На фиг. 15т показана амплитуда функции, соответствующей функции 1(к, 1) на фиг. 15а и 156 для 1=21,8 нс, что соответствует положению глобального максимума кривой обнаружения по фиг. 15д и 151. Периодичность отчетливо видна. Угловой индекс η используется как единица по горизонтали.

В середине фиг. 15η абсолютное значение вычислений БПФ показано над вышеупомянутой кривой при числе точек N=64.

Нижняя часть фиг. 15о иллюстрирует фазу двух угловых гармоник, соответствующих двум периодам на поворот (антенна типа 1) соответственно к,=8 и к₂=56 при повороте антенн. Значение -0,1844 представляет собой вычисленное угловое положение, определенное в числе угловых шагов в соответствии с вышеупомянутой формулой (326). Из верхней кривой 15т и при рассмотрении фиг. 15а и 156 видно, что вычисленное положение объекта, почти совпадающее с положением для первого измерения (η=0) является корректным.

Пример № 5 иллюстрирует, каким образом, несмотря на очень слабую периодичность при частотных измерениях (фиг. 17с и 176) и несмотря на сильные мешающие отражения на расстоянии, соответствующем примерно 12 нс (фиг. 1 7а и 1 7Ь), может быть обеспечено эффективное обнаружение, иллюстрируемое на фиг. 17д и 17Е, на которых глобальный максимум примерно при 12 нс может быть режектирован, если не принимается обнаружение объекта непосредственно под поверхностью, как на фиг. 171 и 17_).

14. Возможные применения

Настоящее изобретение, в числе прочего, имеет следующие применения:

- Бортовой обнаружитель ручного режима для определения местоположения кабелей, труб и оптических волокон. Такой обнаружитель может обеспечить оператору немедленную индикацию наличия, положения и ориентации таких объектов. Обнаружитель может перемещаться над землей по произвольному закону и отслеживать местоположение заглубленного объекта.

- Соответствующий обнаружитель, устанавливаемый на транспортных средствах.

- Автоматический обнаружитель, устанавливаемый на экскаваторах или иных машинах для перемещения почвы для исключения возможности повреждения объектов.

- Картографирование кабелей, труб, иных подземных объектов. Обнаружитель может быть связан с аппаратурой позиционирования и аппаратурой для сбора данных. В типовом случае посредством картографирования будет выполняться сканирование по предварительно определенному закону.

- Инструмент для сканирования структуры и состояния материалов, включающих бетон.

- Инструмент для определения местоположения труб и кабелей в строительных конструкциях: полах, стенах, например, из бетона или иных материалов.

15. Конструкции антенн

Ступенчатый поворот поляризации без использования механических средств осуществляется наилучшим образом путем сдвига между одинаково выполненными антеннами, расположенными с соответствующими углами и со смещенными центрами, как показано схематично на фиг. 3, 4 и 9. На фиг. 3 и 4 представлены линейные тонкие диполи. Для получения достаточной ширины полосы предпочтительно использовать ветви диполей конической формы, как показано на фиг. 9. Для исключения или, по меньшей мере, для ослабления отражений от концов диполей (соответствует стоячим волнам по оси диполя) часто используется некоторый тип ослабления. В предпочтительном варианте ослабление обеспечивается использованием комбинации поглощающего материала, расположенного вблизи с антеннами, над антеннами, как показано на фиг. 12, и использованием последовательных элементов резистивной связи, как показано на фиг.

и 11. Резистивные элементы могут состоять из резистора поверхностного монтажа, имеющего переменное значение, так что наивысшие значения используются на наибольшем удалении от центра диполя. Типовые значения находятся в пределах от 10 до

100 Ом. Резистивные элементы могут также состоять из последовательности, связывающей вышеупомянутый резистор и переключающий диод, например ΡΙΝ-диод. Путем приложения напряжения постоянного тока между концевыми точками диполя и центром может быть обеспечена возможность перевода ΡΙΝ-диодов в проводящее или непроводящее состояние. Один из эффектов такого устройства состоит в том, что диполь в режиме запирания будет иметь меньшую электромагнитную связь с рядом расположенными аналогичными диполями, чем в случае без диодов. Таким путем можно уменьшить габариты всей конструкции без нарушения связи между активными и пассивными диполями. Нежелательные связи между диполями могут обусловить искажение линейности поляризации и нежелательные помехи в сигнале. Только к тем антеннам, которые желательно перевести в активное состояние, прикладывается напряжение постоянного тока, часто сразу к двум, что приводит к переводу ΡΙΝ-диодов в проводящее состояние.

Коммутатор, описанный выше, содержащий последовательность ΡΙΝ-диодов, обеспечивает перекрытие диполей друг с другом без существенной взаимной связи.

Диполь с четырьмя металлическими поверхностями и тремя резистивными элементами связи с ΡΙΝ-диодами или без них с общей длиной 24 см был продемонстрирован изобретателями и при измерениях проявил частотную характеристику относительно плоскую в области от 100 до 900 МГц. Остальная часть конструкции показана на фиг. 11 и 12.

16. Использованные источники

1. И8-Ра!еи! 4,728,897, Сип!оп е! а1.

2. И8-Ра!еи! 4,812,850, Сип!оп е! а1.

3. Ва1ашз С.А., Абуапсеб Еидтеегшд Е1ес1готадпе11С5.1оЕп \УПеу & 8опз, 1989.

4. ОррепЕепп А.У. & 8сЕаГег ИЛУ., Ό13сге!е-Т1те 81дпа1 Ргосеззтд, Ргепбсе На11, 1989.

5. Тигпег 6. & 81ддтз А.Г., Сопз1ап! О айеппиайоп оГ зиЬзигГасе габаг ри1зез. СеорЕуз1сз, уо1. 59, № 8, Аидиз! 1990, р. 1192-1200.

6. Ноекзйа Р. & Эе1апеу А., 01е1ес(г1с Ргорегйез оГ 8обз а! ИНГ апб Мкготаауе Егес.|иепс1ез. 1оигпа1 оГ СеорЕуз1са1 КезеагсЕ, уо1.79, по.11, Аргб 1974, рр 1699-1708.

7. ТЕетеп С.У., О1зсге!е Иапбот 81дпа1з апб 8!а!1збса1 81дпа1 Ргосеззтд, Ргепбсе На11, 1992.

8. И8-Ра!еп!: 4,062,010, Уоипд е! а1.

9. Пхнка К., ГгеипбогГег А.Р. т.Г1., 8!ерГгес.| непсу габаг, 1. Арр1. РЕуз. уо1. 56, №. 9, №уетЬег 1984.

10. И8-ра!еп! 4,967,199, Сип!оп е! а1.

11. С'.’1пдпе11 КЛ. & Ωαόίδ Η.8., А Р1ре Эе1ес11оп Рабат \νίΐ1ι АиЮтайс ТНгее Оппеп5юпа1 Марртд, ί Ргосеебтдк о£ (Не 6(11 1п1егпаНопа1 СопГегепсе оп Сгоипб Репе1гайпд Рабат ОРР'96 8епба1 1арап, 1996.

17. Временная фильтрация частотных данных

Для выделения радиолокационных сигналов от интервала заданных глубин часто предпочтительно выполнить фильтрацию сигнала частоты измерения перед его преобразованием во временную область. Фильтрация производится посредством фильтра сигналов, функция которого с математической точки зрения может быть идентичной обычному фильтру, который используется для сигналов с временной зависимостью, однако то, что обычно рассматривается как частотная характеристика фильтра, становится теперь временной характеристикой. Если базой является частотное представление сигнала, его фильтрация выполняется так, что части сигнала, соответствующие различным временным интервалам, ослабляются или усиливаются. Например, фильтрация с пропусканием верхних составляющих частотного представления будет обуславливать подавление ранних составляющих сигнала. Поскольку измерения в частотной области осуществляются с помощью радиолокатора непрерывного излучения со ступенчато изменяющейся частотой, то предпочтительно осуществить фильтрацию перед преобразованием временной области. Эффект фильтрации в частотной области посредством обычного фильтра может толковаться математически так, что время и частота в преобразовании Фурье включаются в продукт преобразования симметричным способом. Кроме того, это может быть интерпретировано на основе наблюдения того, что фаза частотного представления пропорциональна переменной времени - запаздывающие части сигнала соответствуют вариациям фазы на единицу частоты большим, чем у опережающих частей сигнала.

Сигналы георадиолокаторов очень часто характеризуются тем, что опережающие части сигнала (часто обусловленные нежелательной связью от передатчика к приемнику) содержат намного больше энергии, чем более слабые сигналы от объектов в земле. Путем фильтрации частотно-зависимого сигнала посредством фильтра верхних частот перед преобразованием во временную область упомянутые выше опережающие нежелательные части сигнала могут быть отфильтрованы. Фильтрация верхних частот и полосовая фильтрация могут быть эффективно использованы.

Фильтрация, как описано здесь, может быть применена во взаимосвязи с процедурами №№ 5 или 6, описанными в разделе 12. В этом случае фильтрация будет введена после этапов

5.1. или 6.1. (соответственно процедуре 4).

Соответствующая фильтрация может быть применена, если обратное преобразование Фурье используется для преобразования из частотной области во временную область. В этом случае фильтрация используется перед преобразованием Фурье.

Функционирование опытного образца георадиолокатора со ступенчатым изменением частоты позволило пользователю осуществить выбор между фильтрами верхних частот, выполненных в виде обычных фильтров верхних частот, пропускающих сигналы с временными задержками выше определенного значения. Характеристические постоянные времени, которые могут быть выбраны в возможном варианте, составляют: 10 нс, 15 нс, 20 нс и 25 нс. Если, например, осуществляется поиск труб с водой посредством радиолокатора, то часто оказывается полезным ослабить все сигналы с временными задержками менее 20 нс.

18. Другие конфигурации антенн

Испытания показали, что антенные конфигурации, показанные на фиг. 43, 44, 45, могут быть использованы с хорошим результатом.

На фиг. 43 показана конфигурация, содержащая 4 пары антенн, а на фиг. 44 и 45 показаны две других конфигурации из 5 пар каждая. Элементы в этих антеннах соответствуют элементам типа «бабочки»; конструкция такого элемента примерно соответствует конфигурации, показанной на фиг. 11, а полная конфигурация соответствует конструкции, показанной на фиг. 12. Поглощающий материал, обозначенный на фиг. 12 как «с», соответствует маркам Ь82 и Ь824 в комбинации фирмы Етегаои&Ситтд. Упомянутые элементы типа «бабочки» выполнены на печатной плате из стекловолокна, причем топология элемента включена в описание опытного образца. Элементы снабжены трансформатором для согласования импедансов в точке питания и нагрузочными резисторами на концах. Дипольные элементы всегда используются парами, так что два диполя, расположенные со взаимным смещением на 180° относительно центра конфигурации, используются одновременно как передающий и приемный соответственно. На фиг. 43, 44 и 45 одна пара образована элементами 1а и 1Ь, а другая пара - элементами 2а и 2Ь и т.д. Все элементы являются сходными. Набор измерений следует один за другим, причем все четыре или пять пар соответствуют для конфигураций по фиг. 43 и 44 одному периоду вращения поляризации линейного объекта (трубы или кабеля), а для конфигурации по фиг. 45 - двум периодам.

19. Определение типа кабелей и труб

В процессе измерений с антеннами вышеупомянутого типа определено, что линейная модель для кабелей и труб в земле хорошо работает в связи с описанными методами, продемонстрированными представленным опытным образцом. Кроме того, было обнаружено, что не63 которые типы объектов, включая трубы из пластика, содержащие воду или газ, будут при вращении поляризации проявлять существенную периодичность с половиной длины периода. Это явление соответствует отражению от объекта, причем помимо демонстрации максимума на поляризации, которая параллельна продольной ориентации объекта, также демонстрируется существенный локальный максимум на поляризации, которая перпендикулярна объекту. Соответственно, путем преобразования Фурье по углу вращения дополнительный компонент проявляется в соответствии с половиной длины периода относительно ожидаемого периода.

Тонкие объекты, особенно кабели, будут лишь в очень малой степени демонстрировать это явление, в то время как толстые трубы, особенно из пластика, будут проявлять это свойство в значительной степени. Это явление может быть использовано для различения типов кабелей и труб и легко автоматизируется путем весьма небольшого расширения известной процедуры и программного обеспечения.

20. Функционирование опытного образца

Разработан опытный образец, который демонстрирует возможный вариант осуществления изобретения. Опытный образец применен для обнаружения кабелей и труб при нормальных условиях, т.е. вне лабораторной обстановки. На фиг. 21 показана блок-схема системы, иллюстрирующая аппаратные средства опытного образца. Система состоит из трех основных частей: антенного устройства (антенной решетки), электронного блока векторного анализатора реального времени (ВАРВ) и персонального компьютера (ПК), снабженного модулем обработки сигнала. Опытный образец смонтирован на малом транспортном средстве типа тележки для перевозки грузов и может перемещаться по земле, позволяя осуществлять измерения тока вместе с соответствующими вычислениями, представляемыми на экране ПК.

20.1. Система и блок-схема системы

Антенная решетка: состоит из антенного устройства, подобного показанному на фиг. 43, 44, 45, и сдвоенного электронного коммутатора, обеспечивающего синхронное переключение передатчика и приемника между антенными элементами.

Электронный блок ВАРВ: состоит из двух основных частей: высокочастотной (ВЧ) части и цифрового процессора сигналов (ЦПС) с аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Высокочастотная часть: приемник, передатчик, синтезатор частоты.

ЦПС: аналого-цифровой преобразователь и ЦПС с фиксированной запятой типа

ΑΌ8Ρ2181 компании Апа1од Эсуюс^ 1пс., построен на готовом модуле той же самой фирмы.

Помимо аналого-цифрового преобразователя, производится квадратурное детектирование сигнала промежуточной частоты с приемника.

Кроме того, осуществляется управление антенным переключателем и управление синтезатором частоты.

ПК и модуль обработки сигнала: используется стандартный ПК, снабженный съемным блоком на готовом модуле, так называемая демонстрационная плата типа ΑΌ8Ρ-21062 ΕΖ-ЬАБ компании Апа1од Оеу1се5 1пс, содержащая процессор с плавающей запятой типа ΑΌ8Ρ-21062. Обработка сигнала почти полностью осуществляется на процессоре ΑΌ8Ρ-21062. Кроме того, используется дисплей ПК для представления в реальном времени кривых обнаружения.

20.2. Функции и использование

Опытный образец реализует процедуру, соответствующую процедуре № 6, описанной в разделе 12, и вышеописанную временную фильтрацию, введенную между этапами 6.1. и

6.2. процедуры (этап 6.1. соответствует процедуре № 4).

Фраза, использованная в процедуре 4.1., «антенная конфигурация типа 1 или 2» означает на практике, что антенна является частью аппаратуры и что позиционирование над землей осуществляется тем, что аппаратура в полном ее составе перемещается над землей. Типы антенн представлены на фиг. 13, 14 и 15.

Полная процедура вычислений производится так, что пользователь видит результат текущих измеряемых данных и связанные с ними вычисления.

На экране ПК отображается последний результат множества вычислений в форме кривой обнаружения типа, представленного в разделе 10, уравнения (26) или кривых обнаружения в форме:

ϋ4(ΐ)=|νΑ1, 1)1 ί)|, 1=11...12, (35) где элементы включены так, как описано в разделе 10. Уравнение (35) представлено в виде произведения, является наиболее часто использованным в опытном образце и включено в прилагаемую распечатку программного обеспечения опытного образца. Эти кривые обнаружения проиллюстрированы графически (см. приведенные ниже примеры).

20.3. Технические характеристики

Основные характеристики представленного опытного образца следующие:

Радиолокационная система:

Частотный диапазон: Размер приращения частоты:

Число ступенек частоты:

Время на одно значение частоты:

Базовый динамический от 50 до 1000 МГц целое кратное 1,6 МГц, типовое значение 6,4 МГц в типовом случае 120 мс (примерно 7 мс на 120 ступенек) диапазон: 70 дБ

Динамический диапазон с АРУ: 110 дБ

Макс. задержка радиолокационного сигнала:

- с приращением частоты 1,6 МГц

- с приращением частоты 6,4 МГц

Число кривых

312 нс на глубине примерно 13 м 78 нс на глубине примерно 3,5 м ружения, вычисленных за секунду:

- при 4 парах антенн типовое значение

8,9 (~35,7 об/с)

- при 5 парах антенн типовое значение 7,1 (~28,5 об/с)

Габариты антенны:

Диаметр: 85 см (модель а) см (модель Ь) Высота: 7 см (модель а) см (модель Ь)

20.4. Некоторые результаты, полученные с помощью опытного образца

Вышеописанные кривые обнаружения отображаются на дисплее опытного образца одновременно с их вычислением. В типовом случае вычисляется 7-8 кривых в секунду. Это позволяет оператору оценить результаты вычислений одновременно с перемещением опытного образца над землей.

На фиг. 19а и 19Ь показаны две типовые кривые обнаружения с дисплея опытного образца. На графике, показанном на фиг. 19а, явно видна индикация глубины, соответствующей временной задержке примерно 31 нс. На фиг. 19Ь показана кривая обнаружения, которая не выявляет наличия какого-либо кабеля или трубы. Объект, показываемый на фиг. 19а и 19Ь, соответствует трубе из поливинилхлорида, заполненной водой, имеющей диаметр 110 мм и находящейся на глубине примерно 140 см.

На фиг. 18 показана совокупность кривых обнаружения, каждая из которых получена для опытного образца и затем совместно представлена на чертеже. Здесь видно, как изменяются кривые обнаружения при прохождении над объектом, представляющим собой одну и ту же трубу на фиг. 19а и 19Ь. На фиг. 18 временная задержка пересчитывается в оценку глубины в предположении оценки среднего значения ско рости распространения радиоволн в земле.

Пример возможного варианта выполнения

В приложении приведен возможный вариант осуществления изобретения, представленный для примера.

Таблица 1. Схема приемника.

Описание

Схема приемника разделена на 5 отдель ных печатных плат:

- Плата а: гетеродинное преобразование частоты

- Плата Ь: распределение сигнала гетеро

-Плата б: преобразование с понижением частоты тестового канала приемника (Примечание: две платы, по одной на каждый тестовый канал)

Используются следующие входные сигналы (см. блок-схему на фиг. 23):

- В1, В2: входные сигналы приемника (тестовых каналов)

- С: опорный входной сигнал приемника

- Е: сигнал частоты 1600-2500 МГц с синтезатора

- С: сигнал частоты 1510 МГц с синтезатора

Используются следующие выходные сигналы:

- Н: сигнал промежуточной частоты 100 кГц опорного канала

- Ι1, Ι2 - сигнал промежуточной частоты 100 кГц тестового канала

Пять плат закреплены в металлическом корпусе с пятью отдельными отсеками. Высокочастотные сигналы передаются между платами с использованием коаксиальных кабелей с соединителями типа 8ΜΑ (поверхностного монтажа). Сигналы питания и низкочастотные сигналы управления развязаны между отсеками. Питание стабилизировано с использованием обычных стабилизаторов напряжения.

Принципиальные схемы четырех различных плат приведены на фиг. 24, 25, 26, 27 соответственно.

Перечень компонентов, плата «а»:

КА5 - ЕКА-2 (миниатюрные схемы)

КМ4 - КМ8-25 МН (миниатюрные схемы)

КР7 - микрополосковый заграждающий фильтр, 1510 МГц с 2 резонаторами (материал платы: Кодегк КО 4003)

КР8 - фильтр нижних частот на 1000 МГц, реализован как 5-резонаторный микрополосковый заграждающий фильтр (материал платы: Кодегк КО 4003)

Ь_а1 - 33 нГ

Ь_а2 - Регтах 51

Са1=Са2=Са3=33 пФ

С_а4=1 нФ

К_а1=110 Ом

К_а2=750 Ом

Ка3=330 Ом

Ка4=16 Ом

К_а5=330 Ом

Перечень компонентов, плата «Ь»:

КА6=КА7=КА8 - ΕΚΑ-1 (миниатюрные схемы)

КА9=КА10 - ΙΝΑ-10386 (НеМеБ-Раскатб) КЭ1 - ЬКР8-2-4 (миниатюрные схемы) кь1 = кь3=кь5=кь7=кь8 ^{- 470 нГ} кь2=кь4=кь6=кь9=кь10 ^{- Регтах 51 С}ь1 = ^Сь2= ^Сь3=^Сь4=^Сь5=^Сь6=^Сь7=^Сь8=^Сь9= =С_Ы0=150 пФ ^Сь11=^Сь13=^Сь15=^Сь17=^СЫ8=^{150 пФ С}ь12=^Сь14=^Сь16=^СЫ9=^Сь20=^{1 нФ}

К_ь1=К_ь8=100 Ом частоты опорного канала приемника дина

- Плата с: преобразование с понижением

Вь2=Вь9=33 Ом

Вь6⁼Вь1о⁼Вь11=13О Ом

Вь7⁼Вь12⁼Вы3⁼82 Ом

Вь3=Яь5=150 Ом

В_Ь4=36 Ом

Вь14=Кь15=Кь16=51 Ом

Перечень компонентов, плата «с»:

ВМ3 - ТИЕ-2ЕН8М (миниатюрные схемы)

ВЕ5 - фильтр нижних частот на 1000 МГц, реализован как 5-резонаторный микрополосковый заграждающий фильтр (материал платы: Водегк ВО 4003)

Ь_с1 - 22 нГ

Ь_с2 - 330 нГ

С_с1 - 8,2 пФ

Сс2=Сс3=470 пФ

Вс1=Вс2=47 Ом

Перечень компонентов, плата «6»:

ВА1 - МОЛ-82563 (НеМеб-Раскагб)

ВАЗ - ΙΝΑ-10386 (НеМей-Раскагб)

ВМ1 - ТИЕ-2ЕН8М (миниатюрные схемы)

В81=В83 - 8^-339 (М/А-СОМ)

ВР1 - фильтр нижних частот на 1000 МГц, реализован как 5-резонаторный микрополосковый заграждающий фильтр (материал платы: Водегк ВО 4003)

Ьб1=Ьб3 - 470 нГ

Е₆₂=Е₆₄ - Регтах 51

Ь₆₅ - 22 нГ

Ь₆₆ - 330 нГ ^С61=^С62=^С63=^С64=

С₆₅=С₆₇ - 150 пФ ^С66=^С68 ^{- 1 нФ С}69=^С610=^С611=^С612= ^С613=^С614=^С615=^С616 ^{- 150 пФ}

С617 - 8,2 пФ ^С618=^С619 ^{- 470 пФ}

В61=В62=В65=В66 - 100 Ом

В63 - 1 00 Ом

В₆₄ - 33 Ом

В67=В68 - 47 Ом

Таблица 2. Передатчик.

Принципиальная схема передатчика представлена на фиг. 28.

Входные сигналы:

Е (см. блок-схему ВАРВ): опорный сигнал синтезатора частоты 1500 МГц

Ό (см. блок-схему ВАРВ): сигнал частоты 1600-2500 МГц с синтезатора

Выходные сигналы:

А (см. блок-схему ВАРВ): выходной сигнал передатчика, подаваемый на антенну

С/ВЕЕ (см. блок-схему ВАРВ): ослабленный выходной сигнал опорного канала прием ника дающего фильтра с пятью резонаторами (материал платы: Водегк ВО4003)

И5А - ЕВА-2 (миниатюрные схемы)

И8А, И11А - ЕВА-2 (миниатюрные схемы)

И3 - смеситель ВМ8-25Н (миниатюрные схемы)

И20 - ступенчатый аттенюатор с цифровым управлением (МА-СОМ АТ230)

С2, СЗ, С4, С6, С8, С9, С10, С11, С13, С14, С15, С16, С17, С18 - конденсатор 603 поверхностного монтажа емкостью 150 пФ

С22 - не установлен

С12 - конденсатор 805 поверхностного монтажа емкостью 180 пФ

В1 - 91 Ом

В2 - 27 Ом

В3 - 100 Ом

В4 - 27 Ом

В5 - 36 Ом

В6 - 560 Ом

В8 - 150 Ом

В9- 51 Ом

В10 - 56 Ом

В11 - 51 Ом

В12 - 56 Ом

В13 - 2,2 Ом

В14 - 680 Ом

В16 - 330 Ом

В17 - 56 Ом

В18, В19 - не установлены

В23-В28 - 680 Ом

В81 - 8,2 Ом

В61 - 8,2 Ом

В20 - схема из 8 резисторов поверхностного монтажа по 4,7 кОм

Ь2, Ь6, Ь5 - индуктивность 805 поверхностного монтажа 470 нГ

ЬСЕ1, ЬСЕ2, ЬСЕ3 - элемент индуктивноемкостной связи (ТИ8ОМХ 4101-008)

Таблица 3. Синтезатор.

Перечень компонентов на следующих двух страницах.

Принципиальная схема приведена на фиг. 29-34.

Таблица 4. Детектор/ЦПС-1.

Детектор состоит из 3 плат.

Одна из них - плата оценки АЭЭ8-21ХХΕΖΜΤΕ компании Апа1од ОеОсек 1пс. Эта плата содержит процессор ЦПС с фиксированной запятой АЭ8Р2181, а также тактовый генератор и другие схемы поддержки. Описание и принципиальные схемы имеются в публикациях компании Апа1од Эемюек 1пс., относящихся к плате оценки А1)1)8-21.\.\-1'УЫТЕ.

Две платы содержат аналого-цифровые преобразователи и цифровые логические линии ввода и вывода для управления синтезатором и антенными переключателями и некоторые вспомогательные схемы. Цифровые линии управления для декодера антенного переключателя и блока смещения уровня, а также для синтезатора имеют стандартный уровень транзиПеречень компонентов:

И4А: микрополосковый заграждающий фильтр, 1510 МГц с двумя резонаторами (материал платы: Водегк ВО4003) и9А: фильтр нижних частот, 1000 МГц, реализован в виде микрополоскового заграж69 стор-транзисторной логики. Принципиальная схема для этих двух плат одинакова и показана на фиг. 35а, 35Ь и 36.

Примечание. Линии, обозначенные ΛΟ0.... АР 13, соответствующие выходным сигналам с аналого-цифрового преобразователя, должны иметь обратный порядок на фиг. 35а и 35Ь.

Перечень компонентов на следующих страницах.

Аналоговые входные сигналы представляют собой выходные сигналы приемника на промежуточной частоте (см. блок-схему ВАРВ на фиг. 22).

Сигналами промежуточной частоты 100 кГц являются опорный канал (КЕЕ) и один тестовый канал. Приводится распечатка программного обеспечения процессора ЦПС ΑΌ8Ρ2181. Процессор выполняет квадратурное обнаружение, и полученный в результате поток цифровых данных подается на плату оценки ΑΌ8Ρ-2106χΈΖЬАБ через последовательный интерфейс.

Таблица 5. Антенный переключатель.

Принципиальная схема приведена на фиг. 37. Используются две платы, одна для передающих антенн, а другая - для приемных. Плата выполнена по микрополосковой технике, в качестве материала платы использован Кодегк К04003.

Входные сигналы управления 5\\а0/ 5\\Ь0...5\\а6/5\\Ь6 представляют собой сигналы +/- 5 В, генерируемые контроллером антенного переключателя/блока смещения уровня.

Порты ΑΝΤ-1...ΑΝΤ6 радиочастотного (РЧ) сигнала соединены с антенными элементами.

Порт Кх (прием) или ТХ (передача) РЧ сигнала соединяется с выходом передатчика или со входом приемника.

РЧ соединители представляют собой охватывающую часть разъема, смонтированную на шасси.

Перечень компонентов:

К1, К2, К3, К4, К11, К12 - 51 Ом

К5, К6, К7, К8, К9, К10 - 10 кОм

С1, С2, С3 - 10 нФ

ЬСЕЕЕО - индуктивно-емкостной элемент связи 4101-008 (Тикошх), емкостью 5,5 нФ

8'1, 8'2, 8'3, 8'4, 8'5, 8'6, 8'7, 8'8, 8'9, 8'10, 8'11, 8'12 - переключатели 8'-338 (Масот)

Таблица 6. Декодер антенного переключателя/блок смещения уровня.

Принципиальная схема приведена на фиг. 38.

Используются две платы этого блока.

Входные сигналы: выводы №№ 1 , 2, 3 и 4 на разъеме ΙΡ3, используются только 1, 2 и 3. Эти сигналы управления ТТЛ-уровня генерируются блоком детектора/ЦПС-1.

Выходные сигналы: используются только сигналы +/- 5В 8'Α0/8'Β0...8'Α6/8'Β6. Эти линии соединены с блоками антенного переключателя.

Данная плата преобразует стандартные сигналы ТТЛ-логики в сигналы +/- 5 В.

Кодирование сигналов выполняется в соответствии с логическим шаблоном, хранящимся в СППЗУ И5. Шаблон является тривиальным в том смысле, что для первых 6 из 16 возможных комбинаций логических состояний входов АХ0...АХ3 сигналы 8'Α0/8'Β0...8'Α6/8'Β6 вводятся с уровнем напряжения, обеспечивающим выбор одного из 6 РЧ портов антенного переключателя, управляемого этим блоком. Логический шаблон, хранящийся в СППЗУ И5, легко выводится из приведенных диаграмм.

Таблица 7. Последовательный интерфейс.

Последовательный интерфейс выполнен в соответствии с указаниями, приведенными в Руководстве для пользователя аппаратуры семейства ΑΌ8Ρ2100 в примерах аппаратного обеспечения, опубликованном компанией Апа1од Пеу1се8 1пс.

Используется стандартная дифференциальная сигнализация К8-485.

Принципиальная схема приведена на фиг. 42.

Перечень компонентов:

ΈΖΕΠΈ, (фиг. 42):

К1, К2, К3 - 1 кОм

С1, С2, С5 - 100 нФ

С3б, С4 - 100 мФ

Ό1 -1Ν4001 и1 - Ό896174

И2 - Ό896175 и3 - ЬМ78Ь05 Таблица 8. Дипольный антенный элемент.

Принципиальная схема приведена на фиг. 39.

Для этого блока используется 8 или 10 плат, соответственно 4 или 5 парам антенн.

Топология печатной схемы приведена на фиг. 40 и 41.

Перечень компонентов:

К1, К2, К3, К4 - 22 Ом

К5, К6, К7, К8, К9, К10 - 33 Ом

К11, К12, К13, К14, К15, К16, К17, К18 - 47 Ом

К19, К20, К21, К22, К23, К24 - 220 Ом

ТК1 - трансформатор ЕТС4-1Т-7 (Масот) Р1 - разъем для монтажа плат

Таблица 9. Виды возможных антенных конфигураций.

Базовая комбинация	Соотв. 8эл. набор	Тип	Примечание	8-параметр
Фиг. 3а	3Ь	1	Коллинеарная	821
Фиг. 3с	36	1	Параллельная	821
Фиг. 4а	4Ь	2	Симметричная	821
Фиг. 4с	44	2	Симметричная	821
Фиг. 5а	5Ь	1	Совпадающая	811

Таблица 10. Примеры чисел поворотов антенной системы.

Δθ - угол поворота между каждым измере

Таблица 11. Примеры индексов к для 2 периодов на поворот.

Значения к определены парами (к2, к-2).

Δθ - угол поворота между каждым измерением,

N - число измерений.

N	8	16	32	64	128
Δθ=22,5°	1/2	1	2	4	8
Δθ=45°	1	2	4	8	16

нием,

N - число измерений.

N	16	32	64	128
Δθ=22,5°	(2,14)	(4,28)	(8,56)	(16,112)	(к2, к.2)
Δθ=45°	(4,129)	(8,249)	(16,48)	(32,96)	(к2, к-2)

Таблица 12. Виды объектов, наблюдаемые в примерах 1-5.

Обозначение	Объект	Глубина	Δθ	№ вращ.	N
Пр.1А-Е 960820а	160 мм труба из пластика с водой	135 см	22,5 гр.	4	64
Пр.2А-Е 960823а	Электрич. высоковольтный кабель	75 см	22,5 гр.	1	16
Пр.3А-Е 960916Ь	Телефонный кабель	50см	22,5 гр.	4	64
Пр.4А-Е 960912а	Электрич. высоковольтный кабель	90см	22,5 гр.	1	32
Пр.4А-Е 960912а	Электрич. высоковольтный кабель	90см	22,5 гр.	1	32

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Claims (32)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Установка для генерирования информации, указывающей глубину и ориентацию объекта, расположенного под поверхностью земли, причем установка предназначена для использования электромагнитного излучения, излучаемого и принимаемого антенной системой, связанной с установкой и содержащей передатчик и приемник для генерирования электромагнитного излучения совместно с антенной системой и для приема электромагнитного излучения, отраженного от объекта, совместно с антенной системой соответственно, отличающаяся тем, что антенная система содержит множество индивидуальных антенных элементов, имеющих, по существу, линейную поляризацию, преимущественно дипольных антенн, которые размещены по отношению к геометрическому центру антенной системы так, что каждый из центров антенных элементов смещен относительно геометрического центра антенной системы, при этом установка содержит средство для вращения, механическим или электронным способом, антенной системы и, тем самым, поляризации электромагнитного поля вокруг или относительно геометрического центра антенной системы.
2. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что индивидуальные антенные элементы антенной системы, преимущественно дипольные антенны, размещены радиально относительно геометрического центра антенной системы.
3. 3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что индивидуальные антенные элементы антенной системы образуют многоугольные конфигурации, симметричные или асимметричные относительно геометрического центра антенной системы.
4. 4. Установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что индивидуальные антенные элементы антенной системы, преимущественно дипольные антенны, образуют ортогонально ориентированные или параллельно ориентированные наборы передающих или приемных антенн.
5. 5. Установка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что передающие и приемные антенны антенной системы являются совпадающими по поляризации или ортогонально поляризованными.
6. 6. Установка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что средство для обеспечения вращения антенной системы выполнено с возможностью вращения антенной системы механическим или электрическим способом, обеспечивая тем самым поляризацию электромагнитного поля относительно геометрического центра с угловыми приращениями порядка 22,5°, 30°, 36° или долей или целых кратных этих углов.
7. 7. Установка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что передатчик и приемник установки выполнены с возможностью выполнения генерирования и приема соответственно электромагнитного излучения на различных отдельных частотах, преимущественно в диапазоне от 100 МГц до 1 ГГц, изменяющимися ступеньками по 5 МГц.
8. 8. Установка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что установка содержит средство обработки сигналов для измерения передаточной функции, например передаточной функции по напряжению, передаточной функции по току или их комбинаций или передаточной функции по мощности между сигналами переданного и принятого излучения.
9. 9. Установка по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что средство обработки сигналов выполнено с возможностью измерения переда точной функции для связанных значений угла поворота и частоты.
10. 10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что средство обработки сигналов выполнено с возможностью осуществления преобразования из частотной области во временную область путем преобразования Фурье или с использованием математической экспоненциальной модели с соответствующей рациональной передаточной функцией для передаточной функции, связанной с углом, для генерирования зависящей от времени функции, непрерывной по времени для каждого угла, вычисляемой в предварительно определенное число дискретных моментов времени с использованием идентичных моментов времени вычисления для всех углов.
11. 11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что средство обработки сигналов выполнено с возможностью осуществления анализа сигналов путем преобразования Фурье для каждого из моментов времени зависящей от времени функции, непрерывной по времени, связанной с каждым углом, с использованием времени в качестве постоянной, а угла в качестве независимой переменной для генерирования представления в области углов.
12. 12. Установка по п.9, отличающаяся тем, что средство обработки сигналов выполнено с возможностью осуществления анализа сигналов путем преобразования Фурье для каждой частоты с использованием частоты в качестве постоянной, а угла - в качестве независимой переменной для генерирования множества чисел, с использованием угловой гармоники и частоты измерения в качестве независимых переменных.
13. 13. Установка по п.12, отличающаяся тем, что средство обработки сигналов выполнено с возможностью осуществления преобразования из частотной области во временную область путем преобразования Фурье или с использованием математической экспоненциальной модели с соответствующей рациональной передаточной функцией для получения для каждой угловой гармоники не зависящей от времени непрерывной по времени функции в предварительно определенное число дискретных моментов времени с использованием идентичных моментов времени вычислений для каждой угловой гармоники, для генерирования множества чисел, соответствующих математической функции, имеющей угловую гармонику в дискретной форме и время в дискретной форме в качестве независимых переменных.
14. 14. Установка по любому из пп.11-13, отличающаяся тем, что средство обработки сигналов выполнено с возможностью осуществления сканирования для нахождения локальных и глобальных максимумов, указывающих периодические по углу отражения от объектов при представлении в области углов, причем пиковое значение указывает временные задержки соответствующих отражений от объекта.
15. 15. Установка по любому из пп. 10-14, отличающаяся тем, что средство обработки сигналов выполнено с возможностью осуществления вычисления углового положения относительно антенной системы для периодических по углу отражений.
16. 16. Установка по любому из пп.10-15, отличающаяся тем, что она содержит средство обработки сигналов для использования в процессе горизонтального перемещения над землей совмещенных измерений для подавления мешающих отражений.
17. 17. Способ генерирования информации, указывающей глубину и ориентацию объекта, расположенного под поверхностью земли, причем способ основан на использовании электромагнитного излучения, излучаемого и принимаемого антенной системой с помощью передатчика и приемника для генерирования электромагнитного излучения совместно с антенной системой и для приема электромагнитного излучения, отраженного от объекта, совместно с антенной системой соответственно, отличающийся тем, что для передачи и приема электромагнитного излучения используют антенную систему, имеющую линейную поляризацию, преимущественно дипольных антенн, которые размещены по отношению к геометрическому центру антенной системы так, что каждый из центров антенных элементов смещен относительно геометрического центра антенной системы, при этом антенную систему вращают механическим или электронным способом вокруг или относительно геометрического центра антенной системы.
18. 18. Способ по п.17, отличающийся тем, что для передачи и приема электромагнитного излучения используют антенную систему, имеющую индивидуальные антенные элементы антенной системы, преимущественно дипольные антенны, размещенные радиально относительно геометрического центра антенной системы.
19. 19. Способ по п.17 или 18, отличающийся тем, что для передачи и приема электромагнитного излучения используют антенную систему, имеющую индивидуальные антенные элементы, преимущественно дипольные антенны, образующие многоугольные конфигурации, расположенные симметрично или асимметрично относительно геометрического центра антенной системы.
20. 20. Способ по любому из пп.17-19, отличающийся тем, для передачи и приема электромагнитного излучения используют антенную систему, имеющую индивидуальные антенные элементы, преимущественно дипольные антенны, образующие ортогонально ориентированные или параллельно ориентированные наборы передающих или приемных антенн.
21. 21. Способ по любому из пп.17-20, отличающийся тем, что для передачи и приема электромагнитного излучения используют пере75 дающие и приемные антенны, которые являются совпадающими по поляризации или ортогонально поляризованными.
22. 22. Способ по любому из пп. 17-21, отличающийся тем, что вращение антенной системы выполняют путем вращения антенной системы механическим или электрическим способом, обеспечивая тем самым поляризацию электромагнитного поля относительно геометрического центра с угловыми приращениями порядка 22,5°, 30°, 36°, или долей, или целых кратных этих углов.
23. 23. Способ по любому из пп. 17-22, отличающийся тем, что генерирование и прием электромагнитного излучения выполняют на различных отдельных частотах, преимущественно в диапазоне от 100 МГц до 1 ГГц, изменяющимися ступеньками по 5 МГц.
24. 24. Способ по любому из пп. 17-23, отличающийся тем, что осуществляют обработку сигналов для измерения передаточной функции, например передаточной функции по напряжению, передаточной функции по току или их комбинаций, или передаточной функции по мощности между сигналами переданного и принятого излучения.
25. 25. Способ по любому из пп. 17-24, отличающийся тем, что при обработке сигналов выполняют измерение передаточной функции для связанных значений угла поворота и частоты.
26. 26. Способ по п.25, отличающийся тем, что при обработке сигналов выполняют преобразование из частотной области во временную область путем преобразования Фурье или с использованием математической экспоненциальной модели с соответствующей рациональной передаточной функцией для передаточной функции, связанной с углом, для генерирования зависящей от времени функции, непрерывной по времени для каждого угла, вычисляемой в предварительно определенное число дискретных моментов времени с использованием идентичных моментов времени вычисления для всех углов.
27. 27. Способ по п.26, отличающийся тем, что при обработке сигналов выполняют анализ сигналов путем преобразования Фурье для каждого из моментов времени зависящей от времени функции, непрерывной по времени, связанной с каждым углом, с использованием времени в качестве постоянной, а угла - в качестве независимой переменной для генерирования представления в области углов.
28. 28. Способ по п.25, отличающийся тем, что при обработке сигналов выполняют анализ сигналов путем преобразования Фурье для каждой частоты с использованием частоты в качестве постоянной, а угла - в качестве независимой переменной для генерирования множества чисел, используя угловую гармонику и частоту измерения в качестве независимых переменных.
29. 29. Способ по п.28, отличающийся тем, что при обработке сигналов выполняют преобразование из частотной области во временную область путем преобразования Фурье или с использованием математической экспоненциальной модели с соответствующей рациональной передаточной функцией для получения для каждой угловой гармоники не зависящей от времени непрерывной по времени функции в предварительно определенное число дискретных моментов времени с использованием идентичных моментов времени вычислений для каждой угловой гармоники, для генерирования множества чисел, соответствующих математической функции, имеющей угловую гармонику в дискретной форме и время в дискретной форме в качестве независимых переменных.
30. 30. Способ по любому из пп.27-29, отличающийся тем, что при обработке сигналов выполняют сканирование для нахождения локальных и глобальных максимумов, указывающих периодические по углу отражения от объектов при представлении в области углов, причем пиковое значение указывает временные задержки соответствующих отражений от объекта.
31. 31. Способ по любому из пп.26-30, отличающийся тем, что при обработке сигналов выполняют вычисление углового положения относительно антенной системы для периодических по углу отражений.
32. 32. Способ по любому из пп.26-31, отличающийся тем, что в процессе горизонтального перемещения над землей осуществляют обработку сигналов совмещенных измерений для подавления мешающих отражений.