RU2092874C1 - Method of detection of objects in earth and device intended for its realization - Google Patents
Method of detection of objects in earth and device intended for its realization Download PDFInfo
- Publication number
- RU2092874C1 RU2092874C1 RU96104924A RU96104924A RU2092874C1 RU 2092874 C1 RU2092874 C1 RU 2092874C1 RU 96104924 A RU96104924 A RU 96104924A RU 96104924 A RU96104924 A RU 96104924A RU 2092874 C1 RU2092874 C1 RU 2092874C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- earth
- amplitude
- phase
- antenna
- radio waves
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к поисковой технике и может применяться в геофизике, археологии, строительстве и локализации предметов в земле, определении их размеров и глубины залегания. The invention relates to a search technique and can be used in geophysics, archeology, construction and localization of objects in the ground, determining their size and depth.
Известен металлоискатель [1] который содержит генератор электромагнитных колебаний, индукционный датчик, синхронные детекторы: синфазный и квадратурных компонент, два фильтра постоянной составляющей, двухполупериодный выпрямитель, аналоговый сумматор и два стрелочных индикатора. A known metal detector [1] which contains an electromagnetic oscillation generator, an induction sensor, synchronous detectors: in-phase and quadrature components, two DC filters, a half-wave rectifier, an analog adder and two dial indicators.
Металлоискатель и способ его функционирования не обеспечивают обнаружения неметаллических предметов. The metal detector and the method of its operation do not provide detection of non-metallic objects.
Известен способ определения местоположения неоднородностей в массиве горных пород [2] Способ, при котором излучают в первой точке излучения-приема зондирующий электромагнитный сигнал, осуществляют прием отраженных сигналов при помощи коммутируемых приемопередающих антенн в первой и второй точках излучения-приема, удаленной от первой. Антеннами производят излучение и прием сначала сигнала, поляризованного в плоскости падения, затем сигнала, поляризованного перпендикулярно этой плоскости, измеряют амплитуды и фазы спектральных компонент отраженных сигналов. A known method for determining the location of heterogeneities in a rock mass [2] A method in which a probing electromagnetic signal is emitted at a first radiation-receiving point, receiving reflected signals by means of switched transceiving antennas at the first and second radiation-receiving points remote from the first. Antennas produce radiation and first receive a signal polarized in the plane of incidence, then a signal polarized perpendicular to this plane, measure the amplitudes and phases of the spectral components of the reflected signals.
Устройство для реализации способа содержит два радиолокатора, установленных на некотором удалении друг от друга. В состав каждого локатора входят генератор электромагнитных колебаний, наноимпульсный модулятор, выход которого соединен с управляющим входом генератора, приемно-передающая антенна, коммутатор антенны, включенный между входом антенны и выходом генератора, устройства для измерения амплитуд и фаз спектральных компонент отраженных сигналов. Поляризации излучения антенн могут изменяться в пространстве в пределах 90o, а их раскрывы параллельны и направлены в сторону центра земли. Способ и устройство, которые приняты за прототип изобретения, не могут обнаружить в земле предметы малых размеров вблизи ее поверхности.A device for implementing the method comprises two radars installed at some distance from each other. Each locator includes an electromagnetic oscillation generator, a nano-pulse modulator, the output of which is connected to the control input of the generator, a transmit-receive antenna, an antenna switch connected between the antenna input and the output of the generator, and devices for measuring the amplitudes and phases of the spectral components of the reflected signals. The polarization of the radiation of the antennas can vary in space within 90 o , and their openings are parallel and directed towards the center of the earth. The method and device, which is taken as a prototype of the invention, cannot detect small objects in the ground near its surface.
Изобретение обеспечивает обнаружение предметов вблизи ее поверхности, определение их размеров и глубины залегания. The invention provides for the detection of objects near its surface, the determination of their size and depth.
Из оптики и электродинамики известно, что если плоскость поляризации электромагнитных волн параллельна плоскости их падения на границу раздела двух сред, то такую поляризацию называют параллельной, а если плоскость поляризации электромагнитных волн перпендикулярна плоскости падения, то такую поляризацию называют перпендикулярной. Кроме того, известно, что волны параллельной поляризации, падающие на границу раздела двух сред под определенным углом углом Брюстера, от этой границы не отражаются, а целиком проникают во вторую среду (см. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. т.1, М. Сов.радио, 1965, с. 41,42). From optics and electrodynamics it is known that if the plane of polarization of electromagnetic waves is parallel to the plane of their incidence at the interface between two media, then such a polarization is called parallel, and if the plane of polarization of electromagnetic waves is perpendicular to the plane of incidence, then such a polarization is called perpendicular. In addition, it is known that waves of parallel polarization incident on the interface between two media at a certain angle by the Brewster angle do not reflect from this interface, but completely penetrate into the second medium (see Harvey A.F. Microwave Technology. M. Sov.radio, 1965, p. 41.42).
Технический результат изобретения достигается в двух вариантах выполнения способа и трех исполнения устройства, реализующих способы, связанных одним изобретательским замыслом. The technical result of the invention is achieved in two variants of the method and three versions of the device that implement the methods associated with one inventive concept.
I вариант исполнения способа обнаружения предмета в земле. I embodiment of a method for detecting an object in the ground.
Способ основан на облучении исследуемого участка земли радиоволнами СВЧ диапазона и приема отраженных волн, состоящий в том, что часть участка земли в котором необходимо произвести поиск предмета и в котором априорно известно, что обнаруживаемый предмет отсутствует, облучают радиоволнами СВЧ-диапазона параллельной поляризации под углом Брюстера к границе раздела воздух земля, после чего начинают изменять область облучения, и одновременно под отрицательным углом Брюстера принимают отраженные волны и измеряют их амплитуду. По появлению отраженных радиоволн судят о наличии в земле предмета, а по двум значениям амплитуды отраженных радиоволн меньше максимального значения, например, на 3 дБ, лежащих с двух сторон максимального значения, судят о геометрических размерах найденного предмета. The method is based on the irradiation of the investigated area of the earth with microwave waves and reception of reflected waves, consisting in the fact that part of the plot of land in which it is necessary to search for an object and in which it is a priori known that there is no object to be detected, is irradiated with microwave waves of parallel microwave polarization at a Brewster angle to the air-earth interface, after which they begin to change the irradiation area, and at the same time, reflected waves are received at a negative Brewster angle and their amplitude is measured. By the appearance of the reflected radio waves they judge the presence of an object in the ground, and by two values of the amplitude of the reflected radio waves less than the maximum value, for example, 3 dB lying on both sides of the maximum value, they judge the geometric dimensions of the found object.
Отличительными признаками способа являются то, что облучают землю под углом Брюстера к границе раздела воздух земля, изменяют области облучения с одновременным приемом отраженных волн под отрицательным углом Брюстера и сравнивают диаграммы от предмета с главным лепестком диаграммы направленности приемной антенны. Distinctive features of the method are that they irradiate the earth at a Brewster angle to the air-earth interface, change the irradiation area while receiving reflected waves at a negative Brewster angle, and compare the patterns from the object with the main lobe of the receiving antenna.
I вариант исполнения устройства для реализации способа по I варианту. I embodiment of a device for implementing the method of I embodiment.
Устройство для обнаружения предмета в земле содержит СВЧ генератор квазимонохроматического излучения, выход которого через линию передачи соединен со входом передающей антенны, приемную антенну, амплитудный детектор, усилитель и индикатор, соединенные последовательно, и транспортную тележку. A device for detecting an object in the ground contains a microwave generator of quasimonochromatic radiation, the output of which through the transmission line is connected to the input of the transmitting antenna, a receiving antenna, an amplitude detector, an amplifier and an indicator connected in series, and a transport trolley.
Электрические оси антенн расположены в плоскости падения радиоволн на границу раздела воздух земля под положительным и отрицательным углами падения с возможностью изменения значений этих углов. Поляризация излучения антенн параллельная. Антенны установлены на тележке с возможностью перемещения их вдоль поверхности земли как единого целого. The electrical axis of the antennas are located in the plane of incidence of the radio waves at the air-ground interface at positive and negative angles of incidence with the possibility of changing the values of these angles. Antenna radiation polarization parallel. Antennas are mounted on a trolley with the ability to move them along the surface of the earth as a whole.
Отличительными признаками изобретения являются транспортная тележка, выполнение генератора электромагнитных колебаний квазимонохроматического излучения и СВЧ-диапазона, закрепление антенн на транспортной тележке с возможностью изменения положения их электрических осей в плоскости падения и электрические связи передающей антенны с линией передачи, а приемной с амплитудным детектором и индикатором. Distinctive features of the invention are a transport trolley, the implementation of a generator of electromagnetic oscillations of quasi-monochromatic radiation and a microwave range, fixing antennas on a transport trolley with the possibility of changing the position of their electric axes in the plane of incidence and the electrical connection of the transmitting antenna with the transmission line, and the receiving one with an amplitude detector and indicator.
II вариант выполнения способа обнаружения предмета в земле. II embodiment of the method for detecting an object in the ground.
Способ основан на облучении исследуемого участка земли радиоволнами СВЧ-диапазона и приеме отраженных волн, состоящий в том, что часть участка земли, в котором необходимо произвести поиск предмета и в котором априорно известно, что обнаруживаемый предмет отсутствует, облучают радиоволнами СВЧ-диапазона параллельной поляризации под углом Брюстера к границе раздела воздух земля, после чего начинают изменять область облучения и одновременно под отрицательным углом Брюстера принимают отраженные волны параллельной поляризации. По появлению отражений радиоволн параллельной поляризации судят о наличии в земле предмета, а по разности фаз падающих и отраженных волн судят о глубине его залегания. По двум значениям амплитуды отраженных радиоволн параллельной поляризации меньше максимального значения, например, на 3 дБ, лежащих на измеренном расстоянии с двух сторон максимального значения, судят о геометрических размерах найденного предмета. The method is based on the irradiation of the studied area of the earth with microwave waves and the reception of reflected waves, consisting in the fact that the part of the land in which it is necessary to search for an object and in which it is a priori known that the detected object is absent, is irradiated with microwave waves of parallel polarization under the Brewster angle to the air-earth interface, after which they begin to change the irradiation area and at the same time, reflected waves of parallel polarization are received at a negative Brewster angle. By the appearance of reflections of parallel polarized radio waves, the presence of an object in the earth is judged, and the depth of its occurrence is judged by the difference in phase of the incident and reflected waves. The two values of the amplitude of the reflected radio waves of parallel polarization are less than the maximum value, for example, 3 dB lying at a measured distance on both sides of the maximum value, they judge the geometric dimensions of the found object.
Отличительными признаками способа является то, что облучают землю под углом Брюстера к границе раздела воздух земля, изменяют области облучения с одновременным приемом отраженных радиоволн под отрицательным углом Брюстера, измеряют амплитуду и фазу отраженных волн, сравнивают диаграммы отражения от предмета с главным лепестком диаграммы направленности приемной антенны, в результате чего получают размеры предмета, а глубину его залегания определяют по разности фаз. The distinguishing features of the method are that they irradiate the earth at a Brewster angle to the air-earth interface, change the irradiation area while receiving reflected radio waves at a negative Brewster angle, measure the amplitude and phase of the reflected waves, compare the reflection patterns from the object with the main lobe of the receiving antenna , as a result of which the size of the object is obtained, and the depth of its occurrence is determined by the phase difference.
II вариант исполнения изобретения. II embodiment of the invention.
Устройство для обнаружения предмета в земле содержит СВЧ-генератор, линии передачи, приемную и передающую антенны, два разветвителя сигналов на два канала, фазовращатель, канал опорного сигнала, фазовый и амплитудный детекторы, два усилителя и два индикатора амплитуды и фазы, плоский отражатель, а также транспортную тележку. A device for detecting an object in the ground contains a microwave generator, transmission lines, receiving and transmitting antennas, two signal splitters into two channels, a phase shifter, a reference signal channel, phase and amplitude detectors, two amplifiers and two amplitude and phase indicators, a flat reflector, and also a transport trolley.
Выход СВЧ-генератора через линию передачи, один разветвитель соединен со входом передающей антенны. The output of the microwave generator through the transmission line, one splitter connected to the input of the transmitting antenna.
Выход приемной антенны через второй разветвитель соединен со входом амплитудного детектора и сигнальным входом фазового детектора. Вход опорного сигнала фазового детектора соединен с выходом генератора через второй выход первого разветвителя, канал опорного сигнала и фазовращатель. The output of the receiving antenna through the second splitter is connected to the input of the amplitude detector and the signal input of the phase detector. The input of the reference signal of the phase detector is connected to the output of the generator through the second output of the first splitter, the channel of the reference signal and the phase shifter.
Выход фазового детектора через усилитель соединен со входом индикатора фазы, а выход амплитудного детектора через усилитель соединен со входом индикатора амплитуды. The output of the phase detector through the amplifier is connected to the input of the phase indicator, and the output of the amplitude detector through the amplifier is connected to the input of the amplitude indicator.
Электрические оси антенн расположены в плоскости падения радиоволн на границу раздела воздух земля под положительным и отрицательным углами с возможностью изменения значений этих углов. The electrical axis of the antennas are located in the plane of incidence of the radio waves at the air-ground interface at positive and negative angles with the possibility of changing the values of these angles.
Поляризация излучения антенн параллельная. Антенны установлены на тележке с возможностью перемещения их вдоль поверхности земли как единого целого. Antenna radiation polarization parallel. Antennas are mounted on a trolley with the ability to move them along the surface of the earth as a whole.
Отличительными признаками изобретения являются транспортная тележка, два разветвителя сигналов на два канала, канал опорного сигнала, фазовращатель, выполнение генератора электромагнитных колебаний монохроматического излучения и СВЧ-диапазона, особая форма выполнения антенн приемной и передающей, закрепление антенн на тележке с возможностью изменения углов наклона их электрических осей и электрические связи приборов, кроме того, плоский металлический отражатель. The distinguishing features of the invention are a transport trolley, two signal splitters into two channels, a reference signal channel, a phase shifter, the execution of a generator of electromagnetic oscillations of monochromatic radiation and the microwave range, a special form of the receiving and transmitting antennas, fixing the antennas on the trolley with the possibility of changing their electrical angles axes and electrical connections of devices, in addition, a flat metal reflector.
III вариант исполнения изобретения. III embodiment of the invention.
Устройство для обнаружения предмета в земле содержит СВЧ-генератор квазимонохроматического излучения, линию передачи, передающую и две приемные антенны, разветвитель сигналов на два канала, фазовращатель, фазовый и амплитудный детекторы, два усилителя, два индикатора амплитуды и фазы и транспортную тележку. A device for detecting an object in the ground contains a microwave generator of quasi-monochromatic radiation, a transmission line, a transmitting and two receiving antennas, a signal splitter into two channels, a phase shifter, phase and amplitude detectors, two amplifiers, two amplitude and phase indicators and a transport trolley.
Вход передающей антенны через линию передачи соединен с выходом СВЧ-генератора. The input of the transmitting antenna through the transmission line is connected to the output of the microwave generator.
Поляризация излучения передающей антенны имеет две ортогональные составляющие, одна из которых параллельна плоскости падения, а другая ей перпендикулярна. The radiation polarization of the transmitting antenna has two orthogonal components, one of which is parallel to the plane of incidence, and the other is perpendicular to it.
Одна из приемных антенн имеет поляризацию излучения параллельную плоскости падения, а другая антенна имеет поляризацию перпендикулярную плоскости падения. One of the receiving antennas has a polarization of radiation parallel to the plane of incidence, and the other antenna has a polarization perpendicular to the plane of incidence.
Выход одной приемной антенны через фазовращатель соединен с одним входом фазового детектора, например входом опорного сигнала, а другой приемной антенны с параллельной поляризацией излучения соединен со входом разветвителя сигналов. Один выход разветвителя соединен со вторым входом фазового детектора, например с сигнальным входом, а другой выход разветвителя соединен со входом амплитудного детектора. The output of one receiving antenna through a phase shifter is connected to one input of the phase detector, for example, the input of the reference signal, and the other receiving antenna with parallel polarization of radiation is connected to the input of the signal splitter. One output of the splitter is connected to the second input of the phase detector, for example, a signal input, and the other output of the splitter is connected to the input of the amplitude detector.
Выходы амплитудного и фазового детектора через усилители соединены со входами индикаторов амплитуды и фазы. The outputs of the amplitude and phase detector through amplifiers are connected to the inputs of the amplitude and phase indicators.
Электрические оси антенн расположены в плоскости падения радиоволн на границу раздела воздух земля под положительным углом падения для передающей антенны и отрицательными углами для приемных антенн. The electrical axis of the antennas are located in the plane of incidence of the radio waves at the air-ground interface at a positive angle of incidence for the transmitting antenna and negative angles for the receiving antennas.
Антенны установлены на тележке с возможностью изменения их углового положения в плоскости падения и перемещения вдоль поверхности земли как единого целого. Antennas are mounted on a trolley with the possibility of changing their angular position in the plane of incidence and moving along the surface of the earth as a whole.
Отличительными признаками изобретения являются транспортная тележка, третья антенна, фазовращатель, разветвитель сигналов на два канала, выполнение передающей антенны с двумя линейными ортогональными составляющими поляризации излучения, выполнение приемных антенн с линейными ортогональными поляризациями излучений, расположение электрических осей антенн в пространстве, электрические связи приборов устройства, кроме того, плоский металлический отражатель, а также выполнение генератора СВЧ-диапазона, квазимонохроматического излучения. The distinguishing features of the invention are a transport trolley, a third antenna, a phase shifter, a signal splitter into two channels, a transmitting antenna with two linear orthogonal components of the radiation polarization, receiving antennas with linear orthogonal polarizations of the radiation, the location of the electrical axes of the antennas in space, the electrical connections of the device’s devices, in addition, a flat metal reflector, as well as the implementation of the microwave generator, quasi-monochromatic radiation Nia.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема I варианта исполнения предлагаемого устройства; на фиг.2 структурная электрическая схема II варианта исполнения предлагаемого устройства; на фиг.3 структурная электрическая схема III варианта исполнения предлагаемого устройства; на фиг.4 представлено расположение антенн по I и II вариантам устройств, вид спереди; на фиг.5 приведены графики зависимости модуля коэффициента отражения радиоволн от границ раздела воздух земля и земля воздух от угла падения радиоволн для диэлектрической постоянной земли равной 2,2 параллельной и перпендикулярной поляризаций; на фиг.6 приведены геометрические построения, связанные с диаграммами направленности передающей и приемной антенн, зоной облучения земли по уровню 3 дБ относительно максимума облучения, углом падения, расстоянием от раскрыва антенн до земли и размерами обнаруженного предмета в земле; на фиг. 7 представлена диаграмма направленности главного максимума диаграммы направленности антенны в зависимости от угла наблюдения; на фиг.8 представлены графики изменения амплитуды отраженных радиоволн параллельной поляризации для точечного предмета в земле (пунктирная кривая) и протяженного (сплошная кривая). Figure 1 presents the structural electrical diagram of the I embodiment of the proposed device; figure 2 structural electrical diagram of the II embodiment of the proposed device; figure 3 structural electrical diagram of a III embodiment of the proposed device; figure 4 presents the location of the antennas according to I and II variants of the devices, front view; figure 5 shows graphs of the dependence of the module of the coefficient of reflection of radio waves from the interface between air ground and ground air from the angle of incidence of radio waves for the dielectric constant of the earth equal to 2.2 parallel and perpendicular polarizations; figure 6 shows the geometric construction associated with the radiation patterns of the transmitting and receiving antennas, the irradiation zone of the earth at a level of 3 dB relative to the maximum exposure, the angle of incidence, the distance from the aperture of the antennas to the ground and the size of the detected object in the ground; in FIG. 7 shows the radiation pattern of the main maximum of the antenna radiation pattern, depending on the viewing angle; on Fig presents graphs of changes in the amplitude of the reflected radio waves of parallel polarization for a point object in the ground (dashed curve) and extended (solid curve).
На фиг. 1-8 введены обозначения: 1 СВЧ-генератор; 2 линия передачи; 3 передающая антенна параллельной поляризации излучения; 4 приемная антенна параллельной поляризации излучения; 5 амплитудный детектор (АД); 6 - усилитель (У); 7 индикатор амплитуды отраженных радиоволн параллельной поляризации (А=); 8 найденный в земле предмет; 9 разветвитель сигналов на два канала; 10 фазовращатель (ФЗ); 11 канал опорного сигнала; 12 фазовый детектор (ФД); 13 индикатор фазы (Ф); 14 передающая антенна с ортогональными составляющими поляризации излучения; 15 приемная антенна перпендикулярной поляризации излучения; 16 индикатор амплитуды отраженных радиоволн перпендикулярной поляризации (A┴); 17 транспортная тележка; 18 - шкаф измерительной радиоаппаратуры; 19 узел крепления антенны к тележке и изменения угла наклона ее электрической оси.In FIG. 1-8 designations introduced: 1 microwave generator; 2 transmission line; 3 transmit antenna of parallel polarization of radiation; 4 receiving antenna parallel radiation polarization; 5 amplitude detector (HELL); 6 - amplifier (U); 7 indicator of the amplitude of the reflected radio waves of parallel polarization (A = ); 8 an object found in the earth; 9 splitter of signals into two channels; 10 phase shifter (ФЗ); 11 channel reference signal; 12 phase detector (PD); 13 phase indicator (F); 14 transmit antenna with orthogonal components of the polarization of radiation; 15 receiving antenna perpendicular to the polarization of radiation; 16 indicator of the amplitude of the reflected radio waves of perpendicular polarization (A ┴ ); 17 transport trolley; 18 - cabinet measuring radio equipment; 19, the attachment point of the antenna to the trolley and changes in the angle of inclination of its electric axis.
На чертежах обозначены: θ угол падения угол Брюстера; В глубина залегания предмета в земле; v угол преломления; e диэлектрическая постоянная земли; D диаметр апертуры антенны; R расстояние от антенны до земли; H ширина пятна облучения земли по спаду электрического поля 0,7; L диаметр предмета; h ширина диаграммы направленности антенны у земли; a0,7 - угловая ширина диаграммы направленности по спаду электрического поля 0,7 (3 дБ).In the drawings are indicated: θ angle of incidence Brewster angle; In the depth of the object in the ground; v angle of refraction; e dielectric constant of the earth; D is the diameter of the antenna aperture; R is the distance from the antenna to the ground; H the width of the spot irradiation of the earth in the decay of the electric field of 0.7; L diameter of the item; h the width of the antenna pattern near the ground; a 0.7 is the angular beam width of the decay of the electric field of 0.7 (3 dB).
СВЧ-генератор 1 может быть выполнен на магнетроне, клистроне или полупроводниковых транзисторах по известным схемам немодулированного излучения или с амплитудной модуляцией, например меандром звуковой частоты. Длина волны СВЧ-генератора может быть выбрана, например, 12 или 32 см (длины волн, разрешенные для промышленного применения). Мощность СВЧ-генератора может составлять доли Вт. The
Линия 2 передачи может быть выполнена на волноводе или быть коаксиальной, а также полосковой. The
Передающая антенна 3 может быть выполнена, например, в виде открытого конца волновода, электромагнитного рупора, полуволнового вибратора или быть диэлектрической. В лучшем варианте исполнения поляризация излучения передающей антенны должна быть параллельной плоскости падения, но может быть и произвольной эллиптической, но только не линейной, перпендикулярной плоскости падения. The transmitting
Приемная антенна 4 может быть выполнена как и антенна 3, но поляризация ее излучения должна быть параллельной плоскости падения. The
Амплитудный детектор 5 может быть выполнен на полупроводниковом диоде. The
Усилитель 6 должен работать на частоте модуляции СВЧ-генератора. Выполняется по известным схемам на полупроводниковых приборах или в виде интегральной схемы.
Индикатор 7 может быть выполнен стрелочным или цифровым.
Обнаруживаемый предмет 8 должен иметь электромагнитные параметры, отличные от таких же параметров земли, где он находится, и может быть выполнен из металла или диэлектрика. The detected
Разветвитель 9 на два канала может быть выполнен из коаксиального кабеля или быть полоскововым. The
Фазовращатель 10 может быть выполнен на раздвижной линии, быть трамбонным или поляризационным. Пределы изменения фазы должны быть не менее 360o.The
Канал 11 опорного сигнала может быть выполнен на коаксиальном кабеле. The
Фазовый детектор 12 может быть выполнен на полупроводниковом диоде по известным схемам. The
Индикатор 13 фазы может быть выполнен так же, как и индикатор 7. The
Передающая антенна 14 может быть выполнена так же, как и антенна 3, но поляризация излучения должна иметь обязательно две ортогональные составляющие. The transmitting
Приемная антенна 15 может быть выполнена как и антенна 7, но ее поляризация излучения обязательно должна быть перпендикулярной плоскости падения. The receiving antenna 15 can be made like the
Тележка 17 может быть выполнена металлической с вперед вынесенными консолями, на которых крепятся антенны. The
Шкаф 18 измерительной радиоаппаратуры может быть выполнен из металла.
Узел 19 крепления антенны может быть выполнен из металла, обеспечивать изменение угла наклона ее электрической оси и иметь стопор положения антенны. The
Пример реализации I варианта исполнения предлагаемого устройства (фиг. 1). An example implementation of the I embodiment of the proposed device (Fig. 1).
Устройство содержит СВЧ-генератор 1, волноводную линию 2 передачи, передающую антенну 3, приемную антенну 4, амплитудный детектор 5, усилитель 6 звуковой частоты и стрелочный индикатор 7, тележку 17. The device comprises a
Генератор 1 имеет длину волны 12 см. Волновод имеет сечение 72 х 34 мм. Антенна 3 выполнена в виде оптимального электромагнитного рупора с размерами раскрыва 2λ × 2λ, где λ - длина волны СВЧ-генератора 1. Широкая стенка волновода перпендикулярна плоскости падения, следовательно поляризация излучения антенны 3 параллельна плоскости падения. Приемная антенна 4 выполнена также как и передающая антенна 3. Амплитудный детектор 5 выполнен на диоде. Усилитель 5 на полупроводниковых приборах. Индикатор 7 стрелочный.
Вход передающей антенны 3 через линию 2 передачи соединен с выходом СВЧ-генератора 1. Выход приемной антенны 4, амплитудный детектор 5, усилитель 6 и индикатор 7 соединены последовательно. The input of the transmitting
Электрические оси антенн 3 и 4 лежат в плоскости перпендикулярной поверхности земли и пересекаются в одной точке на этой поверхности под положительным и отрицательным углами падения. The electrical axis of the
Это устройство работает следующим образом (I вариант способа). This device operates as follows (I variant of the method).
Включают СВЧ-генератор 1. Часть исследуемого участка земли, в котором априорно известно, что отсутствуют обнаруживаемые предметы, облучают радиоволнами с помощью антенны 3 под углом падения и одновременно принимают отраженные радиоволны с помощью антенны 4. Путем изменения углового положения электрических осей антенн 3 и 4 добиваются минимального (нулевого) показания индикатора 7. В этом случае угол падения радиоволн на границу раздела воздух
земля будет равен углу Брюстера (фиг.5). Электрическую ось приемной антенны 4 устанавливают под отрицательным углом Брюстера. После чего начинают с помощью тележки 17 (фиг.4) перемещать антенны как единое целое вдоль исследуемого участка поверхности земли. Появление показаний индикатора 7 будет свидетельствовать об обнаружении предмета в земле. Перемещением тележки добиваются максимального показания индикатора. После чего фиксируют показания индикатора на 3 дБ меньше максимального при перемещении тележки 17 с двух сторон относительно максимального показания. Измеряют путь, пройденный тележкой между двумя одинаковыми показаниями индикатора, зная ширину главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны по уровню минус 3 дБ, вычитают ее из расстояния, пройденного тележкой между одинаковыми показаниями индикатора 7 (фиг.8). Эта разность и будет равна геометрическому размеру найденного в земле предмета. Для определения другого его размера необходимо повторить измерения в отрогональном направлении.Turn on the
the earth will be equal to the Brewster angle (Fig. 5). The electrical axis of the receiving
Известно (Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. М. Сов.радио, с.88, формулы 3.18 и 3.19), что диаграмма направленности прямоугольной апертуры антенны может быть аппроксимирована формулой
где 
l рабочая длина волны СВЧ-генератора;
D расстояние между крайними точками апертуры антенны (ширина апертуры);
a угол между линией визирования и электрической осью антенны.It is known (Fradin A.Z. Microwave antennas. M. Sov.radio, p.88, formulas 3.18 and 3.19) that the radiation pattern of a rectangular aperture of an antenna can be approximated by the formula
Where
l operating wavelength of the microwave generator;
D the distance between the extreme points of the antenna aperture (aperture width);
a angle between the line of sight and the electrical axis of the antenna.
Из геометрических построений фиг.6 нетрудно получить формулы для определения ширины освещенной поверхности земли на расстоянии R от апертуры антенн в плоскости параллельной (H=) и перпендикулярной H┴ плоскости падения под углом θ
где α0,7 ширина главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны по уровню 0,7 амплитуды электрического поля (-3 дБ).From the geometrical constructions of FIG. 6, it is easy to obtain formulas for determining the width of the illuminated surface of the earth at a distance R from the aperture of the antennas in the plane parallel (H = ) and perpendicular to H ┴ the plane of incidence at an angle θ
where α 0.7 is the width of the main lobe of the radiation pattern of the receiving antenna at a level of 0.7 electric field amplitudes (-3 dB).
Из построений (графиков) фиг. 8 нетрудно понять, что H + L расстояние пройденное тележкой от двух равных значений амплитуды отраженных радиоволн по уровню минус 3 дБ от максимального значения. Поэтому, вычитая из этой суммы ширину освещенной поверхности земли H (см. формулы 2 и 3), определим размер найденного предмета. При установке антенн, как показано на фиг.4, необходимо пользоваться формулой (3). From the constructions (graphs) of FIG. 8 it is easy to understand that the H + L distance traveled by the cart from two equal values of the amplitude of the reflected radio waves at a level of
Пример реализации II варианта исполнения предлагаемого устройства (фиг. 2). An example implementation of the II embodiment of the proposed device (Fig. 2).
Устройство содержит СВЧ-генератор 1, коаксиальную линию 2 передачи, передающую 3 и приемную 4 антенны, выполненные в виде полуволновых вибраторов-диполей, амплитудный детектор 5 и фазовый детектор 12, фазовращатель 10, канал 11 опорного сигнала, два усилителя 6 звуковой частоты, два разветвителя 9 сигналов на два канала, индикатор 7 амплитуды, индикатор 13 фазы, тележку 17 и плоский отражатель. Генератор 1 имеет длину волны 32 см и амплитудную модуляцию меандром звуковой частоты. The device comprises a
Оси диполей лежат в плоскости падения, поэтому поляризация их излучений лежит тоже в этой плоскости. The axes of the dipoles lie in the plane of incidence; therefore, the polarization of their radiation also lies in this plane.
Амплитудный и фазовый детекторы выполнены на диодах и резисторах. Amplitude and phase detectors are made on diodes and resistors.
Усилители 6 выполнены звуковой частоты. Индикаторы 7 и 13 стрелочные.
Фазовращатель 10 выполнен на раздвижной линии.
Разветвители 9 выполнены на коаксиальном кабеле, канал 11 выполнен также на коаксиальном кабеле. The
Выход СВЧ-генератора 1 соединен со входом линии 2, выход которой соединен со входом одного разветвителя 9. Выходы этого разветвителя соединены со входами антенны 3 и канала 11. Выход канала 11 соединен со входом фазовращателя 10. Выход антенны 4 соединен со входом второго разветвителя 9, выходы которого соединены: один со входом амплитудного детектора 5, а другой с сигнальным входом фазового детектора 12, вход опорного сигнала этого детектора соединен с выходом фазовращателя 10. Выходы амплитудного и фазового детекторов 5 и 12 соединены через усилители 6 с индикаторами амплитуды и фазы 7 и 13. The output of the
Электрические оси антенн 3 и 4 лежат в плоскости перпендикулярной поверхности земли и пересекаются в одной точке на этой поверхности под положительным и отрицательным углами падения. The electrical axis of the
Это устройство работает следующим образом (II вариант способа). This device operates as follows (II variant of the method).
Включают СВЧ-генератор 1. Часть исследуемого участка земли, в котором априорно известно, что отсутствуют обнаруживаемые предметы, облучают радиоволнами с помощью антенны 3 под острым углом падения и одновременно принимают отраженные радиоволны с помощью антенны 4. Путем изменения углового положения электрических осей антенн 3 и 4 с помощью узла 19 добиваются минимального (нулевого) показания индикатора 7. В этом случае угол падения радиоволн на границу раздела воздух земля будет равен углу Брюстера (фиг.5). Электрическую ось антенны 4 устанавливают с помощью узла 19 под отрицательным углом Брюстера. На освещенную поверхность земли кладут плоский, тонкий по сравнению с длиной волны металлический лист. После чего с помощью фазовращателя 10 добиваются нулевого показания индикатора 13. Убирают металлический лист. Устройство настроено на поиск предмета в земле, определения его размеров и глубины залегания. Turn on the
С помощью тележки 17 перемещают антенны как единое целое вдоль исследуемого участка поверхности земли. Появление показаний индикаторов 7 и 13 будет свидетельствовать об обнаружении предмета в земле. Перемещением тележки 17 добиваются максимального показания индикатора 7, при этом фиксируют показания индикатора 13. После чего при перемещении тележки фиксируют показания индикатора 7 на 3 дБ меньше максимального с двух сторон относительно максимального показания. Измеряют путь, пройденный тележкой между двумя одинаковыми показаниями индикатора 7, зная ширину главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны по уровню минус 3 дБ, вычитают ее из расстояния, пройденного тележкой (фиг.8) между одинаковыми показаниями индикатора 7, определяют размеры найденного предмета. По зафиксированному значению индикатором 13 фазы по формуле (4) определяют глубину залегания предмета. With the help of the
где В глубина залегания найденного предмета;
l рабочая длина волны;
v угол преломления 
ε диэлектрическая постоянная земли, которая определяется по формуле
ε = (tgθ)2 (5)
где θ угол Брюстера, определенный экспериментально.
where In the depth of the found object;
l working wavelength;
v angle of refraction
ε is the dielectric constant of the earth, which is determined by the formula
ε = (tgθ) 2 (5)
where θ is the Brewster angle determined experimentally.
Пример реализации III варианта исполнения устройства (фиг.3). An example implementation of the III embodiment of the device (figure 3).
Устройство содержит СВЧ-генератор 1, коаксиальную линию 2, передающую 14 и две приемные антенны 4 и 15, фазовращатель 10, фазовый детектор 12 и два амплитудных детектора 5, три усилителя 6 и три индикатора: фазовый индикатор 13 и амплитудные индикаторы 7 и 16, ортогонально поляризованных отраженных радиоволн, два разветвителя 9 сигналов на два канала и тележку 17, кроме того, плоский металлический отражатель. The device contains a
Генератор имеет длину волны 32 см и амплитудную модуляцию меандром звуковой частоты. The generator has a wavelength of 32 cm and amplitude modulation by the meander of the sound frequency.
Антенны выполнены с линейной поляризацией излучения в виде диэлектрических штырей из полистерола, имеющего малые диэлектрические потери. Antennas are made with linear polarization of radiation in the form of dielectric pins made of polystyrene having low dielectric losses.
Плоскость поляризации излучения антенны 14 наклонена к плоскости падения под острым углом, поляризации излучения приемных антенн 4 и 15 ортогональны, поляризация излучения антенны 4 лежит в плоскости падения, а антенны 15 перпендикулярна ей. The plane of polarization of the radiation of
Вход антенны 14 через линию 2 соединен с выходом СВЧ-генератора 1. The input of the
Электрические оси антенн 14, 4 и 15 лежат в плоскости перпендикулярной поверхности земли и пересекаются в одной точке этой поверхности, ось антенны 14 под положительным углом падения, а оси антенн 4 и 15 под отрицательным. The electrical axis of the
Выход антенны 4 соединен со входом одного разветвителя 9, выходы которого соединены со входом амплитудного детектора а второй с сигнальным входом фазового детектора 12. Выходы детекторов 12 и 5 соединены через усилители 6 с соответствующими индикаторами 13 (фазы) и 7 (амплитуды отраженных радиоволн параллельной поляризации). The output of the
Выход антенны 15 перпендикулярной поляризации излучения через фазовращатель 10 соединен со входом второго разветвителя 9. Один выход этого разветвителя соединен с входом опорного сигнала фазового детектора 12, а другой с контрольным каналом, содержащим последовательно соединенные амплитудный детектор 5, усилитель 6 и индикатор 16 (амплитуды отраженных радиоволн с перпендикулярной поляризацией). The output of the antenna 15 of perpendicular polarization of the radiation through the
Это устройство работает следующим образом. This device operates as follows.
Включают СВЧ-генератор 1. Часть исследуемого участка земли, в котором априорно известно, что отсутствуют обнаруживаемые предметы, облучают радиоволнами с помощью антенны 14 под острым углом падения и одновременно принимают отраженные радиоволны с помощью антенн 4 и 15. Путем изменения углового положения электрических осей антенн 14 и 4 добиваются минимального (нулевого) показания индикатора 7. В этом случае угол падения радиоволн на границу раздела воздух земля будет равен углу Брюстера (фиг.5). Электрические оси антенн 4 и 15 с помощью узла 19 устанавливают под отрицательным углом Брюстера. На облучаемую поверхность земли кладут плоский, тонкий по сравнению с длиной волны металлический лист. После чего с помощью фазовращателя 10 добиваются нулевого показания индикатора 13 (фазы). Убирают металлический лист. Показания индикатора 16 свидетельствуют о наличии излучений антенны 14. Устройство настроено на поиск предметов в земле, определения их размеров и глубин залегания. Turn on the
С помощью тележки 17 перемещают антенны как единое целое вдоль исследуемого участка поверхности земли. Появление показаний индикаторов 7 и 13 будет свидетельствовать об обнаружении предмета в земле. Перемещением тележки 17 добиваются максимального показания индикатора 7, при этом фиксируют показания индикатора 13. После чего при перемещении тележки фиксируют показания индикатора 7 на 3 дБ меньше максимального с двух сторон относительно максимального показания. Измеряют путь, пройденный тележкой между двумя одинаковыми показаниями индикатора 7, зная ширину главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны по уровню минус 3 дБ, вычитают ее из расстояния, пройденного тележкой (фиг.8) между одинаковыми показаниями индикатора 7, определяют размеры найденного предмета. По зафиксированному значению индикатора 13 фазы по формуле (4) определяют глубину залегания предмета. With the help of the
Индикатор 13 фазы может быть откалиброван в сантиметрах для разных значений диэлектрической постоянной земли, которая определяется по формуле (5). Ширина диаграммы направленности приемной антенны 4 может быть определена экспериментально с помощью тонкого провода, лежащего на земле в плоскости падения радиоволн на землю. The
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что радиоволны с поляризацией параллельной плоскости падения, перпендикулярной к земле падающие под углом Брюстера без отражений от земли проникают внутрь земли. При нахождении в земле предмета, у которого электромагнитные параметры отличны от таких же параметров земли отражаются под углами, отличными от отрицательных углов Брюстера, и выходят из земли, где и принимаются приемной антенной 4. При этом чем длиннее рабочая волна, тем глубже радиоволны проникают в землю и тем меньшее влияние оказывает на результаты измерения неровность поверхности земли. The technical result of the invention is achieved due to the fact that radio waves with polarization parallel to the plane of incidence, perpendicular to the earth, falling at an angle of Brewster without reflections from the earth penetrate into the earth. When an object is found in the earth whose electromagnetic parameters are different from the same parameters of the earth, they are reflected at angles different from the negative Brewster angles and exit the earth, where they are received by the receiving
Claims (5)
где В глубина залегания предмета в земле;
Ф разность фаз падающих и отраженных радиоволн;
v - угол преломления в земле;
λ - рабочая длина волны;
ε - диэлектрическая постоянная земли.3. A method for detecting objects in the ground, based on the irradiation of the investigated area of the earth with linearly polarized radio waves, measuring the amplitude and phase of the reflected radio waves, characterized in that the investigated area of the earth, in which it is a priori known that the detected objects are absent, is irradiated at the Brewster angle with radio waves with polarization parallel to the plane of incidence, perpendicular to the surface of the earth, after which they change the area of betrothal of the investigated area and at the same time receive the reflected radio waves under the negative the Brewster angle, measure their maximum amplitude and the phase difference of the incident and reflected radio waves, in addition, fix two identical values of the amplitude of the reflected radio waves on both sides of its maximum value, measure the distance between the positions of the antennas where the amplitudes were measured, and then over the known width the main maximum of the radiation pattern of the receiving antenna, at the same level relative to its maximum as the same amplitude values of the reflected radio waves relative to its maximum, determine the size of the detected object, and the measured value of the phase difference between the incident and reflected radio waves determines the depth of the object according to the formula
where In the depth of the object in the ground;
F the phase difference of the incident and reflected radio waves;
v is the angle of refraction in the earth;
λ is the working wavelength;
ε is the dielectric constant of the earth.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96104924A RU2092874C1 (en) | 1996-03-20 | 1996-03-20 | Method of detection of objects in earth and device intended for its realization |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96104924A RU2092874C1 (en) | 1996-03-20 | 1996-03-20 | Method of detection of objects in earth and device intended for its realization |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2092874C1 true RU2092874C1 (en) | 1997-10-10 |
| RU96104924A RU96104924A (en) | 1998-05-27 |
Family
ID=20178031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96104924A RU2092874C1 (en) | 1996-03-20 | 1996-03-20 | Method of detection of objects in earth and device intended for its realization |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2092874C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108802119A (en) * | 2018-05-30 | 2018-11-13 | 中国科学院东北地理与农业生态研究所 | A kind of free space wave method measuring device |
| CN109870724A (en) * | 2019-01-23 | 2019-06-11 | 罗予罡 | A kind of transmitting of transient electromagnetic and reception device |
-
1996
- 1996-03-20 RU RU96104924A patent/RU2092874C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Патент РФ N 2046377, кл. G 01 V 3/10, 1995 2. Авторское свидетельство СССР N 1777111, кл. G 01 V 3/12, 1992 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108802119A (en) * | 2018-05-30 | 2018-11-13 | 中国科学院东北地理与农业生态研究所 | A kind of free space wave method measuring device |
| CN108802119B (en) * | 2018-05-30 | 2023-10-20 | 中国科学院东北地理与农业生态研究所 | Free space wave method measuring device |
| CN109870724A (en) * | 2019-01-23 | 2019-06-11 | 罗予罡 | A kind of transmitting of transient electromagnetic and reception device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA1332458C (en) | Distance and level measuring system | |
| EP0845109B1 (en) | System for and method of determining the location of an object in a medium | |
| US8055193B2 (en) | Underwater remote sensing | |
| US8026711B2 (en) | Measuring device and method for locating objects enclosed in a medium, using high-frequency electromagnetic signals | |
| US4728897A (en) | Microwave reflection survey technique for determining depth and orientation of buried objects | |
| US7205769B2 (en) | Method and apparatus for processing a signal received by an electromagnetic prober | |
| EP0178877B1 (en) | Microwave reflection survey equipment | |
| US3745575A (en) | Method of detecting subsurface objects | |
| Justice et al. | Measurement of electric field distributions | |
| US6771206B2 (en) | Method for obtaining underground imagery using a ground-penetrating radar | |
| RU2432583C1 (en) | Method of searching for, detecting and recognising electronic devices with semiconductor elements | |
| US8604971B2 (en) | Scanning near field electromagnetic probe | |
| Olver et al. | FMCW radar for hidden object detection | |
| RU2092874C1 (en) | Method of detection of objects in earth and device intended for its realization | |
| SU1322992A3 (en) | Method of detecting defects in dielectric materials | |
| US3599089A (en) | Gradient sounder | |
| RU2101717C1 (en) | Method for measurement of effective scattering area and device which implements said method | |
| SU1758530A1 (en) | Method of measuring dielectric penetration of materials | |
| RU96104924A (en) | METHOD FOR DETECTING OBJECTS IN LAND AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (OPTIONS) | |
| JPS5590845A (en) | Dielectric constant surveilance device | |
| US3532973A (en) | Microwave flaw detector | |
| Howarth et al. | Analysis of Automatic Homodyne Method Amplitude and Phase Measurements (Short Papers) | |
| SU1264052A1 (en) | Method for determining depth of laminations in dielectric materials | |
| RU2152060C1 (en) | Method for radio ranging and device which implements said method | |
| SU987483A1 (en) | Method of determination of parameters of non-homogenious plasma in magnetic field |