RU2096767C1 - Радиолокатор-интроскоп - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к интроскопии недр земли, неразрушающим методам исследования материалов и изделий и может быть использовано при контроле качества строительных конструкций из прозрачных для радиоволн материалов. Радиолокатор-интроскоп содержит блок 1 формирования зондирующих СШП-импульсов, состоящий из первого излучающего антенно-фидерного блока 2 и генератора 3 импульсов ударного возбуждения (ГИУВ); блок 4 синхронизации, состоящий из последовательно соединенных синхронизатора 5 и линии задержки 6; приемно-регистрирующий блок 7, состоящий из приемного антенно-фидерного блока 8, стробоскопического преобразователя с осциллографом 9 и первого аналого-цифрового преобразователя 10-1; ЭВМ 11; второй излучающий антенно-фидерный блок 12, смещенный по оси симметрии диаграммы направленности первого излучающего антенно-фидерного блока 2 на заданную величину относительно поверхности облучения; переключатель каналов излучения 13-1, механически связанный с переключателем отраженных сигналов; ключ 14, первый 15-1 и второй 15-2 формирователями отраженных сигналов, блок 16 автозахвата и автосопровождения, состоящий из временного различителя 17, первого 18-1, второго 18-2 и третьего 18-3 фильтров нижних частот, сумматора 19, вычитателя 20, блока регулируемой задержки 21, первого генератора 22 импульсов, первого 23-1 и второго 23-2 элементов И, первого 24-1 и второго 24-2 асинхронных RS-триггеров, элемента задержки 25, инвертора 26, первого элемента ИЛИ 27, при этом временной различитель 17 состоит из третьего 23-3 и четвертого 23-4 элементов И и дифференциального детектора 28; блок 29 анализа временных параметров проходной характеристики, состоящий из блока 30 дифференцирования, первого порогового элемента 31-1, третьего асинхронного RS-триггера 32-1, второго порогового элемента 31-2, четвертого 32-2 и пятого 32-3 асинхронных RS-триггеров, первого 33-1, второго 33-2, третьего 33-3 и четвертого 33-4 элементов задержки, первого 34-1, второго 34-2, третьего 34-3, четвертого 34-4 и пятого 34-5 ключей, первого 35-1 и второго 35-2 компараторов нулевого напряжения, первого 36-1, второго 36-2 и третьего 36-3 формирователей импульсов, первого 37-1 и второго 37-2 счетчиков импульсов, второго генератора 38 импульсов, первого 39-1 и второго 39-2 блоков сравнения двоичных чисел, блока 40 установки двоичного числа, асинхронного Т-триггера 41 и пятого элемента И 42; блок 43 управления каналами излучения и индикации, состоящий из шестого 44-1 и седьмого 44-2 асинхронных RS-триггеров, четвертого формирователя 45 импульсов, второго элемента ИЛИ 46, четвертого фильтра нижних частот 47, первого 48-1 и второго 48-2 индикаторов, усилителя мощности 49 и реле 50; блок 51 выборки и запоминания и второй аналого-цифровой преобразователь 10-2. 11 ил.

Description

Изобретение относится к интроскопии недр земли, неразрушающим методам исследования материалов и изделий и может быть использовано при контроле качеств строительных конструкций из прозрачных для радиоволн материалов.

Известны радиолокаторы для интроскопии недр земли, которые описаны, например, в работе Х. Ф. Хармут, Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи, М. Радио и связь, 1985, с. 34.49, рис. 1. 6. 15, а также устройства для обнаружения дефектов в неметаллических конструкциях, которые описаны, например, в авт. св. СССР N 1519355, кл. G 01N 22/02. Известные радиолокаторы содержат блоки генерации и излучения СВЧ-колебаний, а также приемно-анализирующие блоки.

Однако в них не производится автоматизация обнаружения и идентификация малоразмерных объектов в грунте или дефектов в конструкциях.

Наиболее близким к изобретению аналогом является радиолокационный измеритель, описанный в работе Л.Ю. Астанин, А.А. Костылев, Основы сверхширокополостных радиолокационных измерений, М. Радио и связь, 1989, с.112.114, рис. 5.1.

Радиолокатор содержит блок формирования зондирующих сверхширокополостных (СШП) импульсов, состоящий из излучающего антенно-фидерного блока и генератора импульсов ударного возбуждения (ГИУВ), блок синхронизации, состоящий из последовательно соединенных синхронизатора и линии задержки, приемно-регистрирующий блок, состоящий из последовательно соединенных приемного антенно-фидерного блока, стробоскопического преобразователя с осциллографом, аналого-цифрового преобразователя, соединенного с ЭВМ.

Недостатком прототипа является отсутствие автоматизированного обнаружения и идентификации малоразмерных объектов при ограниченном времени наблюдения.

Задачей, на решение которой направлено создание предложенного изобретения, является автоматизация процесса обнаружения и идентификации (классификации) малоразмерных объектов при ограниченном времени наблюдения.

Решение этой задачей достигается тем, что в радиолокатор, содержащий блок формирования зондирующих СШП-импульсов, состоящий из первого излучающего антенно-фидерного блока и генератора импульсов ударного возбуждения, блок синхронизации, состоящий из последовательно соединенных синхронизатора и линии задержки, приемно-регистрирующий блок, состоящий из последовательно соединенных приемного антенно-фидерного блока, стробоскопического преобразователя с осциллографом и первого аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом, первая ЭВМ, выход которой соединен с входами синхронизации первого аналого-цифрового преобразователя, стробоскопического преобразователя с осциллографом и синхронизатора, при этом выход линии задержки соединен с входом ГИУВ, дополнительно вводятся второй излучающий антенно-фидерный блок, смещенный по оси симметрии диаграммы направленности первого излучающего антенно-фидерного блока на заданную величину относительно поверхности, переключатель каналов излучения, механически связанный с переключателем отраженного сигнала, а также ключ, первый и второй формирователи отраженных сигналов, блок автозахвата и автосопровождения, состоящий из временного различителя, первого, второго и третьего фильтров нижних частот, сумматора, блока вычитания, блока регулируемой задержки, первого генератора импульсов, первого и второго элементов И, первого и второго асинхронных RS-триггеров, элемента задержки, инвертора, первого элемента ИЛИ. При этом временной различитель состоит из третьего и четвертого элементов И и дифференциального детектора.

В радиолокатор введены также блок анализа временных параметров проходной характеристики, состоящий из блока дифференцирования, первого порогового элемента и третьего асинхронного RS-триггера, второго порогового элемента, четвертого и пятого асинхронных RS-триггеров, первого, второго, третьего, четвертого элементов задержки, первого, второго, третьего, четвертого, пятого ключей, первого и второго компараторов нулевого напряжения, первого, второго, третьего формирователей импульсов, первого и второго счетчиков импульсов, второго генератора импульсов, первого и второго блоков сравнения двоичных чисел, блока установки двоичного числа, асинхронного Т-триггера и пятого элемента И, блок управления каналами излучения и индикации, состоящий из шестого и седьмого асинхронных RS-триггеров, четвертого формирователя, второго элемента ИЛИ, четвертого фильтра нижних частот, первого и второго индикаторов, усилителя мощности и реле, первая контактная группа которого является переключателем каналов излучения, вторая контактная группа реле является переключателем отраженных сигналов, блок выборки и запоминания и второй аналого-цифровой преобразователь.

При этом выход ГИУВ соединен с подвижным контактом переключателя каналов излучения, первый неподвижный контакт которого соединен с входом первого излучающего антенно-фидерного блока, второй неподвижный контакт переключателя каналов излучения соединен с входом второго излучающего антенно-фидерного блока.

Выход стробоскопического преобразователя с осциллографом соединен с информационным входом ключа, управляющий вход которого соединен с вторым выходом ЭВМ.

Выход ключа соединен с входами первого и второго формирователей отраженных сигналов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым неподвижным контактами переключателя отраженных сигналов, подвижный контакт которого соединен с входом временного различителя блока автозахвата и автосопровождения.

Выход временного различителя соединен через первый фильтр нижних частот с первым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, выход которого соединен с блоком регулируемой задержки, выход которого соединен с выходом первого генератора импульсов, входом первого элемента И и входом инвертора, выход которого соединен с первым входом второго элемента И.

Выход первого элемента И соединен с установочным входом первого асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с входом второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания.

Выход второго элемента И соединен с установочным входом второго асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом сумматора.

Вход временного различителя, объединяющий первые входы третьего и четвертого элементов И, соединен с вторыми входами первого и второго элементов И.

Первый выход первого генератора импульсов соединен с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом дифференциального детектора, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, второй вход которого объединен с входом сброса первого асинхронного RS-триггера и соединен с вторым выходом первого генератора импульсов.

Выход дифференциального детектора является выходом временного различителя.

Вход сброса второго асинхронного RS-триггера соединен через элемент задержки с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом четвертого элемента И.

Второй вход первого элемента ИЛИ соединен с третьим выходом ЭВМ, к второму и третьему выходам которой подсоединены выходы первого и второго элементов И.

Входы регулировки коэффициентов передачи второго и третьего фильтров нижних частот являются входами установки заданных коэффициентов.

Выход сумматора соединен с входом дифференцирования блока анализа временных параметров проходной характеристики.

Выход блока дифференцирования соединен с информационными входами первого и четвертого ключей, выход первого ключа соединен с входом первого компаратора нулевого напряжения, входом сброса четвертого асинхронного RS-триггера и входом второго элемента задержки, выход которого соединен с входом сброса третьего асинхронного RS-триггера, четвертым входом ЭВМ и управляющим входом первого блока сравнения двоичных чисел.

Выход четвертого ключа соединен с входом второго порогового элемента, выход которого соединен с установочным входом пятого асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа.

Выход первого формирователя отраженных сигналов соединен с установочным входом четвертого асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с входом первого формирователя и входом третьего элемента задержки, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, информационный вход которого объединен с информационным входом третьего ключа и соединен с выходом второго генератора импульсов.

Выход первого формирователя импульсов соединен с входами сброса первого и второго счетчиков импульсов.

Выход второго ключа соединен со счетным входом первого счетчика импульсов, выходы которого соединены с соответствующими входами первой группы информационных входов первого и второго блоков сравнения двоичных чисел.

Вторая группа информационных входов первого блока сравнения двоичных чисел соединена с соответствующими выходами блока установки числа, входы управления которого являются входами установки числа.

Выход третьего ключа соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, выходы которого соединены с соответствующими входами второй группы информационных входов второго блока сравнения двоичных чисел.

Выход блока дифференцирования соединен с входом второго компаратора нулевого напряжения, выход которого соединен с входом асинхронного Т-триггера, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И и входом четвертого элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом пятого элемента И, выход которого соединен с управляющим входом четвертого ключа.

Выход третьего асинхронного RS-триггера соединен с входом первого элемента задержки, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа.

Вход сброса пятого асинхронного RS-триггера соединен с четвертым выходом ЭВМ, выход первого блока сравнения двоичных чисел соединен с входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен с установочным входом шестого асинхронного RS-триггера блока управления каналами излучения и индикации.

Выход шестого триггера соединен с управляющим входом третьего ключа, выход второго блока сравнения двоичных чисел соединен с входом третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с информационным входом пятого ключа, выход которого соединен с установочным входом седьмого асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с входом второго индикатора.

Вход сброса седьмого асинхронного RS-триггера соединен с четвертым выходом ЭВМ.

Вход сброса шестого асинхронного RS-триггера соединен с управляющим входом второго блока сравнения двоичных чисел и подсоединен к выходу четвертого формирователя, вход которого соединен с выходом блока вычитания блока автозахвата и автосопровождения.

Выход шестого асинхронного RS-триггера соединен с первым входом второго элемента ИЛИ и входом усилителя мощности, выход которого подключен к реле.

Второй вход второго элемента ИЛИ соединен с выходом третьего асинхронного RS-триггера.

Выход второго элемента ИЛИ соединен с входом четвертого фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом первого индикатора.

Выход первого компаратора нулевого напряжения соединен с управляющим входом блока выборки и запоминания и управляющим входом второго аналого-цифрового преобразователя.

Выход блока вычитания соединен с информационным входом блока выборки и запоминания, выход которого соединен и информационным входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с пятым входом ЭВМ.

Функциональная схема предлагаемого радиолокатора-интроскопа представлена на фиг.1 и 2. На фиг.3 показано взаимное расположение первого и второго излучающих антенно-фидерных блоков и приемного антенно-фидерного блока. На фиг. 4а схематично показаны участки отражения от малоразмерного объекта, на фиг. 4б показан ход лучей при отражении от малоразмерного объекта с учетом преломления при вхождении лучей в грунт. На фиг.5 приведена запись реального отраженного сигнала, зондирующего грунт. На фиг.6.10 приведены временные диаграммы с выходом различных блоков радиолокатора-интроскопа. На фиг.11 схематично показаны виды помех, маскирующих полезный сигнал, отраженный от малоразмерного объекта, и схематичное изображение процессов автозахвата и автосопровождения в радиолокаторе-интроскопе.

Радиолокатор-интроскоп содержит блок 1 формирования зондирующих СШП-импульсов (ФЗИ), состоящий из первого излучающего антенно-фидерного блока 2 и генератора импульсов 3 ударного возбуждения, блок 4 синхронизации (БС), состоящий из последовательно соединенных синхронизатора 5 и линии задержки 6, приемно-регистрирующий блок 7 (ПРУ), состоящий из последовательно соединенных приемного антенно-фидерного блока 8, стробоскопического преобразователя 9 с осциллографом и первого аналого-цифрового преобразователя 10-1, выход которого соединен с первым входом ЭВМ 11, выход которой соединен с входами синхронизации первого аналого-цифрового преобразователя 10-1, стробоскопического преобразователя 9 с осциллографом и синхронизатора.

При этом выход линии задержки 6 соединен с входом ГИУВ 3.

Радиолокатор снабжен также вторым излучающим антенно-фидерным блоком 12, смещенным по пространственной координате относительно первого антенно-фидерного блока 2, переключателем каналов излучения 13-1, механически связанным с переключателем 13-2 отраженных сигналов, ключом 14, объединенными входами первым 15-1 и вторым 15-2 формирователями отраженных сигналов, блоком автозахвата и автосопровождения 16 (АЗ и АС).

Блок 16 состоит из временного различителя 17 (ВР), первого 18-1, второго 18-2 и третьего 18-3 фильтров нижних частот, сумматора 19, вычитателя 20, блока регулируемой задержки 21 (УРЗ), первого генератора 22 импульсов (ГИ), первого 23-1 и второго 23-2 элементов И, первого 24-1 и второго 24-2 асинхронных RS-триггеров, элемента задержки 25, инвертора 26, первого элемента ИЛИ 27.

При этом временной различитель 17 состоит из третьего 23-3 и четвертого 23-4 элементов И и дифференциального детектора 28.

Радиолокатор содержит также блок 29 анализа временных параметров проходной характеристики, состоящий из последовательно соединенных блока 30 дифференцирования, первого порогового элемента 31-1 и третьего асинхронного RS-триггера 32-1. Блок 29 содержит также второй пороговый элемент 31-2, четвертый 32-2 и пятый 32-3 асинхронные RS-триггеры, первый 33-1, второй 33-2, третий 33-3, четвертый 33-4 элементы задержки, первый 34-1, второй 34-2, третий 34-3, четвертый 34-4 и пятый 34-5 ключи, первый 35-1, второй 35-2 компараторы нулевого напряжения, первый 36-1, второй 36-2, третий 36-3 формирователи импульсов, первый 37-1, второй 37-2 счетчики импульсов, второй генератор 38 импульсов, первый 39-1, второй 39-2 блоки сравнения двоичных чисел, блок установки двоичного числа 40, асинхронный Т-триггер 41 и пятый элемент И 42.

Радиолокатор содержит также блок 43 управления каналами излучения и индикации, состоящий из шестого 44-1, седьмого 44-2 асинхронных RS-триггеров, четвертого формирователя импульсов 45, второго элемента ИЛИ 46, четвертого фильтра 47 нижних частот, первого 48-1, второго 48-2 индикаторов, усилителя 49 мощности и реле 50, первая контактная группа которого является переключателем 13-1 каналов излучения, вторая контактная группа реле 50 является переключателем 13-2 отраженных сигналов.

Радиолокатор содержит также блок 51 выборки и запоминания и второй аналого-цифровой преобразователь 10-2, при этом выход ГИУВ 3 соединен с подвижным контактом переключателя 13-1 каналов излучения, первый неподвижный контакт которого соединен с входом первого излучающего антенно-фидерного блока 2.

Второй неподвижный контакт переключателя 13-1 соединен с входом второго излучающего антенно-фидерного блока 12.

Выход стробоскопического преобразователя 9 с осциллографом соединен с информационным входом ключа 14, управляющий вход которого соединен с вторым выходом ЭВМ 11.

Выход ключа 14 соединен с входами первого 15-1 и второго 15-2 формирователей отраженных сигналов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым неподвижными контактами переключателя 13-2 отраженных сигналов, подвижный контакт которого соединен с входом временного различителя 17 блока 16 автозахвата и автосопровождения.

Выход временного различителя 17 соединен через первый фильтр 18-1 нижних частот с первым входом сумматора 19, выход которого соединен с входом вычитания блока вычитания 20, выход которого соединен с блоком 21 регулируемой задержки, выход которого соединен с входом первого генератора 22 импульсов, первым входом первого элемента И 23-1 и входом инвертора 26.

Выход инвертора 26 соединен с первым входом второго элемента И 23-2, выход первого элемента И 23-1 соединен с установочным входом первого асинхронного RS-триггера 24-1, выход которого соединен с входом второго фильтра 18-2 нижних частот, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания 20.

Выход второго элемента И 23-2 соединен с установочным входом второго асинхронного RS-триггера 24-2, выход которого соединен с входом третьего фильтра 18-3 нижних частот, выход которого соединен с вторым входом сумматора 19.

Вход временного различителя 17, объединяющий входы третьего 23-3 и четвертого 23-4 элементов И, соединен с вторыми входами первого 23-1 и второго 23-2 элементов И.

Первый выход первого генератора 22 импульсов соединен с вторым входом третьего элемента И 23-3, выход которого соединен с первым входом дифференциального детектора 28, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И 23-4, второй вход которого объединен с входом сброса первого асинхронного RS-триггера 24-1 и соединен с вторым выходом первого генератора 22 импульсов.

Выход дифференциального детектора 28 является выходом временного различителя 17.

Вход сброса второго асинхронного RS-триггера 24-2 соединен через элемент задержки 25 с выходом первого элемента ИЛИ 27, первый вход которого соединен с выходом четвертого элемента И 23-4.

Второй вход первого элемента ИЛИ 27 соединен с третьим выходом ЭВМ 11, к второму и третьему входам которой подсоединены соответственно выходы первого 23-1 и второго 23-2 элементов И.

Выходы регулировки коэффициентов передачи второго 18-2 и третьего 18-3 фильтров нижних частот являются входами установки заданных коэффициентов.

Выход сумматора 19 соединен с входом блока дифференцирования 30 блока 29 анализа временных параметров проходной характеристики.

Выход блока дифференцирования 30 соединен с информационными входами первого 34-1 и четвертого 34-4 ключей.

Выход первого ключа 34-1 соединен с выходом первого компаратора 35-1 нулевого напряжения, выход которого соединен с входом сброса четвертого асинхронного RS-триггера 32-2 и входом второго элемента задержки 33-2, выход которого соединен с входом сброса третьего асинхронного RS-триггера 32-1, четвертым входом ЭВМ 11 и управляющим входом первого блока сравнения двоичных чисел 39-1.

Выход четвертого ключа 34-4 соединен с входом второго порогового элемента 31-2, выход которого соединен с установочным входом пятого асинхронного RS-триггера 32-3, выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа 34-5.

Выход первого формирователя 15-1 отраженных сигналов соединен с установочным входом четвертого асинхронного RS-триггера 32-2, выход которого соединен с входом первого формирователя импульсов 36-1 и входом третьего элемента задержки 33-3, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа 34-2, информационный вход которого объединен с информационным входом третьего ключа 34-3 и соединен с выходом второго генератора 38 импульсов.

Выход первого формирователя импульсов 36-1 соединен с входами сброса первого 37-1 и второго 37-2 счетчиков импульсов.

Выход второго ключа 34-2 соединен со счетным входом первого счетчика 37-1 импульсов, выходы которого соединены с соответствующими входами первой группы информационных входов первого 39-1 и второго 39-2 блоков сравнения двоичных чисел.

Вторая группа информационных входов первого блока 39-1 сравнения двоичных чисел соединена с соответствующими выходами блока 40 установки числа, входы управления которого являются входами установки числа.

Выход третьего ключа 34-3 соединен со счетным входом второго счетчика 37-2 импульсов, выходы которого соединены с соответствующими входами группы информационных входов второго блока 39-2 сравнения двоичных чисел.

Выход блока дифференцирования 30 соединен с входом второго компаратора 35-2 нулевого напряжения, выход которого соединен с входом асинхронного Т-триггера 41, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И 42 и входом четвертого элемента задержки 33-4, выход которого соединен с вторым входом пятого элемента И 42, выход которого соединен с управляющим входом четвертого ключа 34-4.

Выход третьего асинхронного RS-триггера 32-1 соединен с входом первого элемента задержки 33-1, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа 34-1.

Вход сброса пятого асинхронного RS-триггера 32-3 соединен с четвертым выходом ЭВМ 11, выход первого блока 39-1 сравнения двоичных чисел соединен с входом второго формирователя импульсов 36-2, выход которого соединен с установочным входом шестого асинхронного RS-триггера 44-1 блока 43.

Выход шестого триггера 44-1 соединен с управляющим входом третьего ключа 34-3 блока 29.

Выход второго блока 39-2 сравнения двоичных чисел соединен с входом третьего формирователя импульсов 36-3, выход которого соединен с информационным входом пятого ключа 34-5, выход которого соединен с установочным входом седьмого асинхронного RS-триггера 44-2 блока 43.

Выход триггера 44-2 соединен с входом второго индикатора 48-2.

Вход сброса триггера 44-2 соединен с четвертым выходом ЭВМ 11.

Вход сброса триггера 44-1 соединен с управляющим входом второго блока 39-2 сравнения двоичных чисел и подсоединен к выходу четвертого формирования импульсов 45 блока 43.

Вход формирователя импульсов 45 соединен с выходом вычитателя 20 блока 16 автозахвата и автосопровождения.

Выход шестого асинхронного RS-триггера 44-1 соединен с первым входом второго элемента ИЛИ 46 и входом усилителя мощности 49.

Выход усилителя мощности 49 подключен к реле 50.

Второй вход второго элемента ИЛИ 46 блока 43 соединен с выходом третьего асинхронного RS-триггера 32-1 блока 29.

Выход второго элемента ИЛИ 46 соединен с входом четвертого фильтра 47 нижних частот, выход которого соединен с входом первого индикатора 48-1 блока 43.

Выход первого компаратора 35-1 нулевого напряжения соединен с управляющим входом блока выборки и запоминания 51 и управляющим входом второго аналого-цифрового преобразователя 10-2.

Выход блока вычитания 20 блока 16 автозахвата и автосопровождения соединен с информационным входом блока 51 выборки и запоминания, выход которого соединен с информационным входом второго аналого-цифрового преобразователя 10-2, выход которого соединен с пятым входом ЭВМ 11.

Радиолокатор-интроскоп работает следующим образом.

Рассмотрим для определенности интроскопию недр земли, в частности, обнаружение и классификацию трубы 1, лежащей на глубине H, как показано на фиг.3, перпендикулярно к плоскости чертежа.

Радиолокатор установлен на тележке, передвигающейся по поверхности земли. Видеоимпульсы, создаваемые генератором импульсов 3 ударного возбуждения в блоке 1 формирования зондирующих сверхширокополосных импульсов, имеют длительность около 1 нс и излучаются в грунт с частотой порядка 30 кГц. Излучение происходит через антенно-фидерное устройство 2, подключенное переключателем 13-1 каналов излучения к выходу генератора 3 импульсов ударного возбуждения.

На фиг. 3 показан случай, когда антенны излучающего 2 и приемного 8 антенно-фидерных устройств радиолокатора расположены рядом в пространстве. Излученный сигнал отражается малоразмерным объектом, имеющим отличающуюся от грунта диэлектрическую постоянную, магнитную проницаемость или проводимость. Если угловой размер луча радиолокатора 2β, отраженный сигнал поступит как с максимальной дальности

где h горизонтальная составляющая дальности, так и с минимальной дальности d H.

Поскольку угловой размер луча равен 2β, то труба может быть обнаружена только при тех значениях горизонтальной составляющей дальности, которые не превышают h_макс= H•tgβ для глубины H или h_макс= (H+ΔH)•tgβ для глубины H+ΔH. Заметим, что под глубиной здесь понимается расстояние не по поверхности земли, а между точкой излучения и проекцией точки Т на вертикальную ось, т. е. в первом случае это расстояние OA₁, во втором случае O₁A₁.

На фиг. 4а сплошной линией выделены участки отражений от трубы для различных расстояний OA₁ и O₁A₁ в системе координат глубина горизонтальная составляющая дальности.

Заметим, что вышеприведенные соотношения приближенно справедливы при значениях угла β≅5+7^o, при которых можно считать приближенно равными углы падения и преломления луча. В иных случаях из рассмотрения хода лучей радиолокатора на фиг.4б следует, что участки отражений от трубы по горизонтальной составляющей дальности при излучении из точки О 2h_макс= 2×(δHtgβ+(H-δH)tgβ₁); при излучении из точки O₁-2h_макс= 2((δH+ΔH)tgβ+(H-δH)tgβ₁), где β₁ угол преломления при вхождении луча в слой грунта.

Отметим, что в любом из рассмотренных случаев угловой размер диаграммы направленности приемника антенно-фидерного устройства 8 должен быть больше соответствующего углового размера излучателя 2 и 12, т.е. 2β_пр> 2β.
Запись реального отраженного сигнала радиолокатора, зондирующего грунт, показана на фиг. 5. Вверху, т.е. на поверхности земли, зафиксирован мощный сигнал, вызванный непосредственным проникновением сигнала передатчика в приемник. На фигуре видны четыре полосы, соответствующие поверхностям неоднородностей. Самая глубокая из них, расположенная на глубине 2,5 м, была идентифицирована как уровень грунтовых вод. Отражения от канализационной трубы и защитного покрытия на ней, как это отчетливо видно, имеют параболическую форму.

Помехи, зафиксированные выше и справа от сигнала, отраженного от покрытия канализационной трубы, вызваны строительным мусором, использованным для засыпки траншеи канализационной трубы.

Рассмотрим подробнее выражение для дальности трубы:

Горизонтальная составляющая h зависит от времени, т.е. h=V•t, где V - скорость перемещения радиолокатора по поверхности земли. Поэтому выражение (1) может быть записано в виде

Разлагая функцию (2) в ряд Маклорена и ограничиваясь первыми двумя членами ряда, получаем

Отметим, что приближение (3) справедливо, поскольку все члены ряда, начиная с третьего, более чем на порядок меньше второго члена уже при значениях углов β ≅ 45^°.
Как видно, выражением (3) для дальности трубы, описывается парабола с минимумом на оси ординат, смещенным по этой оси на величину глубины И. При этом парабола определена во времени на интервале от -t_макс=h_макс/V до +t_макс=h_макс/V.

Выражение (3) описывает закон перемещения отраженного сигнала от трубы относительно излученного сигнала антенно-фидерным устройством 2. Отраженный сигнал принимается антенно-фидерным устройством 8 блока 7 -приемно-регистрирующего блока и подается на стробоскопический преобразователь с осциллографом 9.

На выходе преобразователя 9 получаем отраженный сигнал, подобный исходному наносекундному сигналу за один период его повторения, но растянутый во времени с заданным коэффициентом трансформации временного масштаба. Этот сигнал поступает на вход первого аналого-цифрового преобразователя 10-1 и на информационный вход ключа 14. Сигнал с выхода первого аналого-цифрового преобразователя 10-1 в виде двоичного кода поступает на первый вход ЭВМ 11, которая синхронизирует работу всего радиолокатора, подавая синхроимпульсы с выхода 1 на вход синхронизатора 5 блока 4 синхронизации, на вход стробоскопического преобразователя с осциллографом 9 и на синхронизирующий вход аналого-цифрового преобразователя 10-1.

По команде оператора на втором выходе ЭВМ 11 формируется также сигнал, который поступает на управляющий вход ключа 14.

На фиг.6а приведена временная диаграмма зондирующего и отраженного сигналов после масштабного преобразования времени. Показано расширение отраженного импульса относительно зондирующего, что обусловлено угловым размером луча радиолокатора 2β Кроме того, показаны флуктуации амплитуды, а также фронта и среза видеоимпульса.

Эти флуктуации вызваны некогерентным суммированием отраженного сигнала от шероховатой диффузно отражающей поверхности слоя неоднородности, случайным распределением неоднородности в слое и другими причинами.

Сигнал, подаваемый на управляющий вход ключа 14 с второго выхода ЭВМ 11, показан на временной диаграмме фиг.6б. Это прямоугольный импульс, который начинается в момент T_мин и заканчивается в момент T_макс. Момент T_мин соответствует на записи реального отраженного сигнала радиолокатора глубине H_мин, а момент T_макс пропорционален максимальной дальности трубы:

Этот сигнал представляет собой временной строб для возможного интервала появления отраженного сигнала от искомого объекта, для которого априори известны некоторые параметры. Для трубы это, например, предположительная глубина залегания в грунте.

Отраженный сигнал с выхода ключа 14 поступает на вход первого формирователя 15-1, на выходе которого появляется стандартный по амплитуде и длительности τ сигнал (см. фиг.6в), поступающий через переключатель 13-2 отраженного сигнала на вход временного различителя 17, второй вход первого элемента И 23-1 и второй вход второго элемента И 23-2 блока автозахвата и автосопровождения 16.

Рассмотрим подробнее процесс автозахвата отраженного импульса в блоке 16. Зондирующие импульсы (фиг.6а), поступающие с третьего выхода ЭВМ 11 с периодом T₃, пересчитанным с ЭВМ 11 с заданным коэффициентом трансформации временного масштаба, поступает на второй вход первого элемента ИЛИ 27 и вход запуска блока 21 временной задержки.

Длительность импульсов на выходе блока 21 временной задержки пропорциональна напряжению, поступающему на его управляющий вход с выхода блока вычитания 20. Рассмотрим вначале случай, когда отраженный сигнал появляется в момент T_c, превышающий длительность импульса на выходе устройства 21 временной задержки плюс удвоенная длительность стандартного сигнала на выходе первого формирователя 15-1 отраженных сигналов (фиг.6г). Заметим, что селекторные импульсы на двух выходах первого генератора 22 импульсов также имеют каждый длительность t.

Это показано на фиг.6д, е.

В этом случае на выходе элемента И 23-2 будет сформирован импульс совпадения (фиг. 6ж), поскольку на первый вход элемента И 23-2 поступает разрешающее напряжение с выхода инвертора 26, на вход которого поступает напряжение, показанное на фиг.6г, а на второй вход элемента И 23-2 поступает импульс с выхода первого формирователя 15-1 через переключатель 13-2 отраженных сигналов.

Выходной импульс второго элемента И 23-2 переключает второй асинхронный RS-триггер 24-2, сброс в исходное состояние производится импульсом с выхода первого элемента ИЛИ 27, поступающим через элемент задержки 25.

Длительность выходного импульса триггера 24-2 оказывается зависящей от временного интервала между фронтом выходного импульса первого формирователя 15-1 отраженных сигналов и фронтом зондирующего сигнала, поступающего с третьего выхода ЭВМ 11, и растянутой во времени с заданным коэффициентом трансформации временного масштаба. Заметим, что при переходе системы в режим автосопровождения импульс сбора триггера 24-2 поступает на первый вход первого элемента ИЛИ 27 с выхода четвертого элемента И 23-4 при совпадении отраженного сигнала с выхода первого формирователя 15-1 и импульса с второго выхода первого генератора 22 импульсов.

Импульсы с выхода триггера 24-2 поступают на вход третьего фильтра 18-3 нижних частот, на выходе которого выделяется приращение напряжения DU₂, поступающее на второй вход сумматора 19, где оно суммируется с напряжением, поступающим на первый вход сумматора 19 с выхода первого фильтра 18-1 нижних частот.

Выходное напряжение сумматора 19 поступает на вычитаемый (первый) вход блока вычитания 20. На вычитающий (второй) вход блока вычитания 20 при этом поступает, как это будет показано ниже, нулевое напряжение. Таким образом, на выходе блока вычитания будем получать напряжение, пропорциональное величине приращения ΔU₂. Это напряжение, поступая на управляющий вход устройства 21 временной задержки, приводит к увеличению в каждом последующем такте длительности импульса на выходе блока 21 до тех пор, пока момент времени T_в+2τ не совместится с моментом времени T_c. Так происходит автозахват отраженного сигнала в блоке 16. Далее происходит процесс автослежения за отраженным сигналом, который здесь подробно не рассматривается ввиду того, что он описывается во многих источниках (см. например, С.В. Первачев, Радиоавтоматика. М. Радио и связь, 1982, стр.23.28).

Напряжение на выходе сумматора 19, отображающее процесс автозахвата отраженного сигнала и автослежения за ним в блоке 16, во многом повторяет характер изменения участка отражения от трубы, показано на фиг.4а сплошной линией 1-2-3.

Различие заключается в том, что возрастание выходного напряжения сумматора 19 в момент появления отраженного сигнала происходит не скачком, а с нарастающим во времени напряжением, крутизна фронта которого (см. фиг.7) определяется заданным коэффициентом передачи третьего фильтра 18-3 нижних частот.

Значение коэффициента передачи третьего фильтра 18-3 устанавливается оператором перед процессом интроскопии недр земли, исходя из некоторых априорных данных, таких как предполагаемая глубина залегания трубы, материал, из которого она изготовлена, характер грунта, его диэлектрическая постоянная, магнитная проницаемость, проводимость, размеры трубы, скорость перемещения интроскопа по поверхности земли и других параметров. Следует отметить, что регулировка коэффициента передачи третьего фильтра 18-3 нижних частот изменяет крутизну дискриминационной характеристики на интервале автозахвата отраженного сигнала. Это в свою очередь влияет на изменение переходных процессов автозахвата, которые подлежат дальнейшим исследованиям в процессе эксплуатации интроскопа.

Рассмотрим теперь случай, когда отраженный сигнал появляется в момент T_с такой, что длительность импульса T_в на выходе устройства 21 временной задержки минус интервал τ превышает интервал T_с, т.е. T_с < T_в t (см. фиг. 8а, б, в).

На выходе элемента И 23-1 будет сформирован импульс совпадения, показанный на временной диаграмме фиг. 8г, который переключает первый асинхронный RS-триггер 24-1. Сброс триггера 24-1 производится импульсом с второго выхода генератора импульсов 22 (см. фиг.8е), который следует за импульсом с первого выхода генератора импульсов 22 (см. фиг.8д).

На выходе триггера 24-1 формируется импульс, длительность которого равна величине T_в + t T_с (см. фиг.8ж).

При этом следует отметить, что на выходе элемента И 23-2 в момент появления импульса на выходе первого формирователя 15-1 не появляется импульс совпадения, поскольку на второй вход элемента И 23-2 с инвертора 26 поступает запрещающее напряжение. Следовательно, триггер 24-2 в этом случае переключаться не будет.

Выходной импульс триггера 24-1 поступает на вход второго фильтра 18-2 нижних частот, с регулируемым коэффициентом передачи на выходе которого получают приращение DU₁ напряжения. Оператор, устанавливая заданный коэффициент передачи второго фильтра 18-2 нижних частот как в предыдущем случае, регулирует крутизну дискриминационной характеристики на интервале автозахвата отраженного сигнала и тем самым обеспечивает требуемый переходный процесс автозахвата.

Приращение напряжения ΔU₁ с выхода второго фильтра 18-2 поступает на вычитающий (второй) вход блока вычитания 20. Это вызывает уменьшение длительности выходного импульса устройства 21 временной задержки в следующем такте и, следовательно, изменение временного положения выходных импульсов генератора импульсов 22. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока система не перейдет в режим автослежения.

Обратимся вновь к напряжению на выходе сумматора 19, осциллограмма которого приведена на фиг.7а в виде линии 1'-2-3. Как уже отмечалось, участок кривой 1'-2 отображает процесс автозахвата, а участок кривой 2-3 отображает процесс автослежения в блоке 16 автозахвата и автослежения.

Выходное напряжение сумматора 19 поступает на вход блока дифференцирования 30 блока 29 анализа временных параметров проходной характеристики. Осциллограмма выходного напряжения блока дифференцирования 30 приведена на фиг. 7б. На интервале от t_макс до -t_э наблюдается рост выходного напряжения блока дифференцирования 30, причем в момент -t_э будет происходить всплеск, а затем падение напряжения до значения U₃₀(t₁ + δt) и далее возрастание по линейному закону в процессе автослежения в блоке 16. Это следует из выражения (3) после его дифференцирования.

Действительно напряжение на выходе сумматора 19 на интервале (-t₁, 0) на основании выражения (3) можно записать в виде

где K масштабный коэффициент.

Тогда выходное напряжение блока дифференцирования 30 на том же интервале (-t₁, 0) будет иметь вид

Выходное напряжение блока дифференцирования 30 поступает на вход порогового элемента 31 с регулируемым порогом.

Оператор перед интроскопией грунта устанавливает заданное значение порогового уровня -U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{01}}{\text{31}}$ в пороговом элементе 31-1. Значение порогового уровня оценивается по формуле

где -U₃₀(t₁+δt) выходное напряжение блока дифференцирования 30 в момент (t₁+δt);

поправка, учитывающая случайные факторы, влияющие на амплитуду выходного напряжения блока дифференцирования 30 и момент превышения порогового уровня, предшествующего моменту (t₁+δt),.

По предварительным оценкам, которые в дальнейшем уточняются по результатам экспериментальных исследований, значение поправки может быть принято в пределах от 0,1 до 0,3 от U₃₀(t₁+δt).
Тогда учитывая, что выходное напряжение (6) блока дифференцирования 30 в момент t₁ равно (-KV²/H)t₁, значение порогового уровня в пороговом элементе 31 можно приближенно оценить величиной

где t_макс ≈ -0,9t₁.

Теперь учитывая, что tgβ = Vt_макс/H, получаем значение порогового уровня U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{01}}{\text{31}}$ в пороговом элементе 31-1 в виде
U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{01}}{\text{31}}$ ≃ -0,7KVtgβ. (9)
В момент превышения порогового уровня U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{01}}{\text{31}}$ на выходе порогового элемента 31-1 формируется импульс (фиг.7в), поступающий на выход запуска асинхронного RS-триггера 32-1 блока 29 анализа временных параметров проходной характеристики.

Третий триггер 32-1 переключается, и на его выходе появляется импульс (фиг. 9а, б), поступающий на вход первого элемента задержки 33-1. На выходе первого элемента задержки 33-1 появляется задержанный на интервале Δt₁ импульс, поступающий на управляющий вход первого ключа 34-1 и открывающий ключ 34-1. С момента открытия ключа 34-1 выходное напряжение блока дифференцирования 30 поступает на выход ключа, а с него на вход первого компаратора нулевого напряжения 35-1. При достижении выходным напряжением блока дифференцирования 30 нулевого значения (см. фиг.7б) на выходе первого компаратора 35-1 формируется импульс (см. фиг.9г), поступающий на вход второго элемента задержки 33-2.

Импульс с выхода второго элемента задержки 33-2, задержанный на интервал Δt₂ (фиг.9д), поступает на вход сброса асинхронного триггера 32-1, возвращая его в исходное состояние (см. фиг.9б).

Кроме того, импульс с выхода второго элементе задержки 33-2 поступает на четвертый вход ЭВМ 11, сигнализируя о готовности регистра второго аналого-цифрового преобразователя 10-2. В регистр второго аналого-цифрового преобразователя 10-2 в двоичном коде записывается минимальная дальность H, значение которой фиксируется в момент t 0 (см. фиг.7а, б) при поступлении импульса с выхода компаратора 35-1 (см. фиг.9г) на управляющий вход блока 51 выборки и запоминания и управляющий вход второго аналого-цифрового преобразователя 10-2.

Значение текущей дальности d поступает на вход блока 51 выборки и запоминания с выхода блока вычитания 20 блока 16.

Теперь рассмотрим, как в блоке 29 производится анализ временных интервалов (-t_макс, 0) и (0, t'_макс).

В момент -t_макс первого появления импульса на выходе первого формирователя 15-1 отраженных сигналов он поступает на установочный вход четвертого асинхронного RS-триггера 32-2 (фиг.9е). В момент переключения триггера 32-2 формируется импульс сброса (фиг.9ж) на выходе первого формирователя импульсов 36-1, поступающий на входы сброса первого 37-1 и второго 37-2 двоичных счетчиков импульсов.

Сброс четвертого триггера 32-2 производится выходным импульсом первого компаратора 35-1 нулевого напряжения (фиг.9г). Выходной импульс триггера 32-2 поступает на вход третьего элемента задержки 33-3, на выходе которого импульс, задержанный на интервал Δt₃<Δt₂, поступает на управляющий вход второго ключа 34-2 (фиг.9з).

На информационный вход ключа 34-2 поступают короткие импульсы с выхода второго генератора 38 импульсов. Число импульсов, поступившее на выход ключа 34-2 за интервал управляющего импульса (фиг.9и), фиксируется в первом двоичном счетчике импульсов 37-1.

Двоичный код с выходов первого счетчика 37-1 поступает на первую группу информационных входов первого 39-1 и второго 39-2 блоков сравнения двоичных чисел. На вторую информационную группу входов первого блока 39-1 сравнения двоичных чисел поступают сигналы в виде двоичного кода числа, установленного оператором в блоке 40 установки числа "[t_макс]".

Число, устанавливаемое оператором, можно оценить из следующего соотношения:
[t_макс] = K₁H_прtgβ/V, (10)
где K₁ коэффициент, учитывающий различные случайные факторы: неточное знание глубины залегания трубы, ориентацию ее относительно траектории движения интроскопа и другие;
H_пр предположительная глубина залегания тубы.

Коэффициент K₁ целесообразно выбирать в пределах 0,7-0,8 и уточнять в процессе исследований интроскопа.

На управляющий вход блока 39-1 сравнения двоичных чисел поступает импульс с выхода элемента задержки 33-2 в момент времени, когда в первом счетчике 39-1 будет зафиксирована длительность интервала (t_макс, 0). В момент поступления импульса на управляющий вход блока 39-1 начинается сравнение двоичных чисел на его информационных входах.

Если число "[t_макс]" оказывается больше длительности интервала (t_макс, 0), то на выходе блока 39-1 сравнения двоичных чисел остается нулевое напряжение. Это означает, что обнаруженный объект не может быть классифицирован как искомый по первому временному параметру проходной характеристики.

Если число "[t_макс] " будет меньше или равно длительности интервала (t_макс, 0), то на выходе блока 39-1 появляется перепад напряжения, поступающий на вход второго формирователя 36-2, на выходе которого появляется импульс (см. фиг.9к). Это означает, что обнаруженный объект может быть классифицирован по первому временному параметру как искомый и подлежит дальнейшей проверке по второму временному параметру проходной характеристики.

Проверка по второму временному параметру проходной характеристики производится следующим образом. Импульс с выхода второго формирователя 36-2 поступает на установочный вход шестого асинхронного RS-триггера 44-1 блока 41 управления переключением каналов излучения и индикации (фиг.10а).

Шестой триггер 44-1 переключается (фиг.10в), потенциал с его выхода поступает на первый вход элемента ИЛИ 46. На второй вход элемента ИЛИ 46 поступает импульс с выхода третьего триггера 32-1 блока 29 анализа временного параметра проходной характеристики (показан на фиг.10в пунктиром).

Длительность выходного импульса шестого триггера 44-1 определяется импульсом сброса (фиг.10б), который поступает с выхода четвертого формирователя 45 блока 43.

В результате выходное напряжение четвертого фильтра 47 нижних частот будет иметь вид, показанный на диаграмме фиг.10г. В течение интервала T_инд первый индикатор 46-1 будет сигнализировать оператору об обнаружении и классификации искомого объекта под землей.

Выходной импульс шестого триггера 44-1 поступает также на вход усилителя мощности 49, выходной сигнал которого вызывает срабатывание реле 50. Первая группа контактов реле, представляющая собой переключатель каналов излучения 13-1, подключает к выходу генератора 3 импульсов ударного возбуждения блока 1 формирования зондирующих СШП-импульсов второе излучающее антенно-фидерное устройство 12. При этом, как отмечалось, излучатель устройства 12 расположен в точке O₁ (см. фиг.3) на расстоянии (H+ΔH) от искомого объекта A₁. Согласно фиг. 4б при изменении расстояния между излучателем и объектом поиска изменяется кривая участка отражения сигнала. На фиг.7а это показано переходом в момент времени Δt₃ на кривую 4-5. Поскольку в точке 3 вновь происходит автозахват, то этот процесс показан на фиг.7а кривой 3-4'.

Кривая 4'-5 характеризует процесс автосопровождения, а кривая 5-6 означает срыв слежения после пропадания отраженного сигнала в момент +t_макс.

Характер выходного напряжения блока дифференцирования 30 от момента Δt₃ до +t_макс показан на фиг.7б. В момент t'_э перегиба кривой автозахвата 3-4' на выходе блока дифференцирования 30 получается всплеск напряжения, а затем после спада его нарастание по линейному закону.

Выходное напряжение блока дифференцирования 30 поступает на вход четвертого ключа 34-4, который оказывается закрытым на интервале от -t_макс до Δt₄. Его открытие после момента Δt₄ способствует тому, что всплески выходного напряжения блока дифференцирования 30 в моменты времени t_э и t'_э не приводят к срабатыванию пятого асинхронного RS-триггера 32-3.

Действительно в момент -t_макс на выходе второго компаратора нулевого напряжения 35-2 появляется импульс (фиг.7г), который вызывает срабатывание асинхронного T-триггера 41. Нулевой потенциал на выходе T-триггера 41 существует до момента t 0 (фиг.7д), когда появляется второй импульс на выходе компаратора 35-2 (фиг.7г), который переключает T-триггер 41 в исходное состояние. Нулевой перепад напряжения на интервале (-t_макс, 0) с выхода триггера 41 поступает на первый вход элемента И 42 и на вход четвертого элемента задержки 33-4, где происходит его задержка на интервал Δt₄ (фиг.7е) и последующая передача на второй вход пятого элемента И 42.

В результате на выходе пятого элемента И 42 появляется нулевой перепад напряжения на интервале (-t_макс, Δt₄) (фиг.7ж), который закрывает ключ 34-4 и не пропускает на вход второго порогового элемента 31-2 всплески выходного напряжения блока дифференцирования 30 в моменты времени t_э и t'_э (фиг.7б).

Оператор перед интроскопией грунта устанавливает заданное значение порогового уровня +U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{02}}{\text{31}}$ в пороговом элементе 31-2. Значение порогового уровня оценивается по формуле
U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{02}}{\text{31}}$ = U₃₀(t_э)-Δ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{31}}$ , (11)
где U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{02}}{\text{31}}$ (t₃) выходное напряжение блока дифференцирования 30 в момент t₃;
Δ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{31}}$ поправка, учитывающая случайные факторы.

По предварительным оценкам, которые, как и в случае порога U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{01}}{\text{31}}$ , уточняются по результатам экспериментальных исследований, значение поправки может быть принято в пределах от 0,1 до 0,3 от U₃₀(t₃).

Учитывая, что выходное напряжение блока дифференцирования 30 в момент t₃ KV²t₃/H+ΔH, значение порогового уровня в пороговом элементе 31-2 можно приближенно оценить величиной

где

.

В момент t₃ превышения порогового уровня U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{02}}{\text{31}}$ на выходе порогового элемента 31-2 формируется импульс (фиг.10д), поступающий на переключающий вход пятого асинхронного RS-триггера 32-3 блока 29.

Пятый триггер 32-3 переключается (фиг.10е), на его выходе появляется перепад напряжения, открывающий ключ 34-5. Открытие пятого ключа означает, что импульс, появляющийся на выходе третьего формирователя 36-3 (фиг.10ж), поступает с выхода пятого ключа 34-5 на переключающийся вход седьмого асинхронного RS-триггера 44-2 блока 43.

В результате триггер 44-2 переключается (фиг.10з), и с его выхода подается потенциал на блок индикации 48-2, который сигнализирует оператору о том, что наряду с обнаружением искомого объекта произошла его идентификация.

Однако импульс на выходе третьего формирователя 36-3 появляется только в том случае, если выполняется условие проверки по второму временному параметру проходной характеристики: интервал (0, t'_макс) будет больше интервала (-t_макс, 0). Длительность второго интервала, как описано выше, уже зафиксирована в виде двоичного числа в первом двоичном счетчике 37-1.

Длительность интервала (0, t'_макс) фиксируется во втором двоичном счетчике 37-2 следующим образом. В момент Δt₃ переключения шестого асинхронного RS-триггера 44-1 блока 43 до момента его сброса (фиг. 10в) открывается третий ключ 34-3 блока 29. Поэтому импульсы с выхода генератора 38 импульсов поступают на счетный вход счетчика 37-2.

В момент срыва автосопровождения t'_макс на выходе формирователя 45 блока 43 появляется импульс (фиг.10б), который поступает также на второй блок 39-2 сравнения двоичных чисел.

Если число импульсов в интервале (0, t'_макс) будет превышать число, записанное в счетчике 37-1, то на выходе блока 39-2 появляется перепад напряжения, поступающий на вход третьего формирователя 36-3.

Следует отметить, что подсчет числа импульсов во втором счетчике импульсов 37-2 начинается в момент Δt₂ а не при t 0. Однако это не влияет существенно на результат проверки по второму временному параметру характеристики, поскольку интервал Δt₂ на несколько порядков меньше интервалов (-t_макс, 0) и (0, t'_макс).

Сброс пятого асинхронного триггера 32-3 блока 29 и седьмого асинхронного RS-триггера 44-2 блока 43 производится по команде оператора с ЭВМ 11.

Из рассмотрения работы радиолокатора-интроскопа следует, что при пропадании отраженного сигнала на любом интервале от -T_макс до T'_макс не будут выполнены условия проверки по двум или одному временным параметрам, и вследствие этого обнаруженный объект не будет автоматически классифицирован (идентифицирован) при ограниченном времени наблюдения, обусловленном однократностью прохода по заданному направлению в пространстве с заданной скоростью движения радиолокатора.

Таким образом, из вышеприведенного следует, что пропадание отраженного сигнала означает ложное обнаружение малоразмерного объекта, например, такое как помеха, показанная буквой A на фиг. 5, записи реального отраженного сигнала радиолокатора для подземных исследований, попадающая в заданный интервал ожидаемых глубин появления отраженного сигнала.

Из рассмотрения работы радиолокатора в этом случае следует, что вначале произойдет автозахват и затем автосопровождение отраженного сигнала. Однако в этом случае в блоке 29 анализа временного параметра проходной характеристики возможен ряд вариантов процессов.

При первом варианте, когда скорость изменения текущей дальности d будет выражаться не квадратичной параболой (3),а, например, линейным законом или оставаться постоянной, тогда выходное напряжение блока дифференцирования 30 будет оставаться близким к нулю, кроме положительного всплеска напряжения в момент автозахвата, аналогично показанному на фиг.7б в точке -t_э. При этом не произойдет пересечения отрицательным выбросом заданного порогового уровня -U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{01}}{\text{31}}$ в пороговом элементе 31-1.

При втором варианте, когда скорость изменения текущей дальности d будет приблизительно выражаться квадратичной параболой (3), выходное напряжение блока дифференцирования 30 в своей отрицательной части пересечет заданный пороговый уровень -U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{01}}{\text{31}}$ в пороговом элементе 31-1, что приведет к переключению триггера 32-1.

На выходе третьего триггера 32-1 появляется импульс напряжения, который оканчивается в момент срыва автосопровождения, когда появляющийся импульс на выходе первого компаратора нулевого напряжения 35-1 после задержки на интервал Δt_2/ поступает с выхода второго элемента задержки 33-2 на вход сброса триггера 32-1.

Выходной импульс первого компаратора 35-1 нулевого напряжения определяет также длительность импульса четвертого RS-триггера 32-2, который с задержкой Δt₃ с выхода элемента задержки 33-3 (фиг.9з) открывает ключ 34-2. Предположим, что за интервал управляющего импульса ключа 34-2 на вход счетчика импульсов 37-1 поступило такое число импульсов с выхода генератора 38 импульсов, которое меньше числа "[t_макс]", установленного оператором в блоке 40 установки числа. В этом случае на выходе первого блока 39-1 сравнения двоичных чисел не появляется перепад напряжения. Следовательно, на выходе формирователя 36-2 не появляется импульс, и не произойдет переключения шестого асинхронного RS-триггера 44-1 блока 43. Ввиду этого не производится следующая проверка по второму временному параметру проходной характеристики, в момент Δt₃ происходит отключение первого индикатора 48-1 (см. фиг.10в).

При третьем варианте все процессы, происходящие в интроскопе, аналогичны второму варианту с той лишь разницей, что за интервал управляющего импульса ключа 34-2 на вход счетчика импульсов 37-1 поступило число импульсов, равное или превышающее число "[t_макс]". Однако в этом случае переключение шестого триггера 44-1 блока 43 от импульса с выхода формирователя 36-2 блока 29 приводит к его сбросу от импульса, поступающего с выхода четвертого формирователя 45 блока 43, на вход которого поступает срез напряжения срыва автосопровождения ввиду пропадания отраженного сигнала. Поэтому проверка по второму временному параметру проходной характеристики также не проводится, и в момент сброса шестого триггера 44-1 блока 43 также происходит отключение первого индикатора 48-1 (см. фиг.10г).

Рассмотрим теперь помеху типа обозначенной на фиг.5 буквой В, которая схематично изображена на фиг.11а. Задача отстройки от данной помехи примыкает к задаче обнаружения и классификации объекта на фоне помехи, схематично изображенной на фиг.11б. Последний случай показан на фиг.5 записи реального отраженного сигнала от защитного покрытия трубы (в данном случае сигнал искомого объекта) и слоя неоднородности -полосы, проходящей через вершину параболы.

Как следует из работы радиолокатора, помеха типа В (фиг.5) при условии, что кривая на участке 1-2 (см. фиг.11а) приближенно описывается квадратичной параболой вида (3), будет обнаружена и классифицирована по первому временному параметру как искомый объект.

Однако на участке кривой 2-3 (фиг.11а), если она не описывается выражением квадратичной параболы, проверка по второму временному интервалу проходной характеристики даст отрицательный результат. Действительно выходное напряжение блока дифференцирования 30 в этом случае будет изменяться по известному закону, а следовательно, не произойдет его превышение порогового уровня U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{02}}{\text{31}}$ в пороговом элементе 31-2 с последующим непереключением седьмого триггера 44-2 в блоке 43 (фиг.10д, е, з).

Но аналогичный результат был бы получен при обнаружении и классификации объекта на фоне помехи, показанной на фиг.11б, если процесс автозахвата и автосопровождения пойдет по кривой 1-2-3-4.

Для того, чтобы процесс автосопровождения от точки 2 шел по кривой 2-3-5 и тем самым обеспечивался процесс классификации искомого объекта, в радиолокаторе при переключении канала излучения первой группой контактов реле 50 вторая группа контактов 13-2 реле 50 подключает к выходу временного различителя 17 блока 16 автозахвата и автосопровождения выход второго формирователя 15-2.

В отличие от первого формирователя 15-1 отраженных сигналов, который формирует стандартные по амплитуде и длительности τ сигналы по переднему фронту отраженных сигналов (см. фиг.6а, в), второй формирователь 15-2 отраженных сигналов формирует аналогичные импульсы по заданному фронту отраженного импульса. Поэтому начиная то точки 2 процесс автосопровождения протекает по кривой 2-3-5 "снизу" (см. фиг.5).

Следует отметить, что на фиг.11б показан условно случай наложения помехи на отраженный сигнал от искомого объекта, как это имеет место в реальных радиолокаторах (см. фиг.5). В предлагаемом радиолокаторе-интроскопе процессы автозахвата и автосопровождения будут протекать по кривым 1-2-2'-3-5, показанным на фиг.11в.

Для того, чтобы избежать автозахват отраженного сигнала в точке 1' (фиг. 11в), при котором не выполняется пересечение выходным напряжением блока дифференцирования 30 порогового уровня -U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{01}}{\text{31}}$ в пороговом элементе 31-1, а следовательно, невозможно выполнить проверку по первому временному параметру проходной характеристики, моменты начала T_мин и окончания T_макс управляющего импульса, подаваемого с второго выхода ЭВМ 11 на управляющий вход ключа 14, выбираются следующим образом.

По формуле (4) определяется максимальная дальность трубы d_макс при значении H=H_пр, и затем определяется максимальная глубина H_макс по формуле
H_макс= d_максcosβ. (13)
Далее оцениваются предельные минимальные и максимальные глубины по формулам

где Δ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{н}}$ и Δ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{н}}$ поправки, вводимые вследствие неточного знания предположительной глубины залегания трубы H_пр.

Теперь можно оценить моменты начала T_мин и окончания T_макс управляющего импульса, подаваемого с выхода ЭВМ 11 на управляющий вход ключа 14 по формулам

где C_г скорость распространения электромагнитных волн в грунте.

В момент автозахвата в точке 1 на выходе элемента И 23-1 или элемента И 23-2 блока 16 автозахвата и автосопровождения появляется импульс, который передается соответственно на второй или третий вход ЭВМ 11.

При получении указанного импульса ЭВМ 11 начинает изменять моменты T_мин и T_макс по заданному закону во времени (линейному или квадратичному) так, что предельные минимальная и максимальная глубины уменьшаются, как это показано на фиг.11в пунктиром.

В момент Δt₂, когда поступает импульс с выхода второго элемента задержки 33-2 (фиг. 9г), с второго выхода ЭВМ 11 поступает управляющий импульс с моментами начала T'_мин и окончания T'_макс, которые определяются по формулам (см. фиг.3)

где C скорость электромагнитных волн в воздухе.

Моментам (16) соответствуют предельные минимальная H"_макс Δ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{н}}$ и максимальная H"_макс + Δ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{н}}$ глубины (фиг.11в), которые с момента времени Δt₂ на втором выходе ЭВМ 11 увеличиваются во времени по заданному закону, как это показано на фиг.11в пунктиром.

Заметим, что моменты (15) и (16) выдаваемого на втором выходе ЭВМ 11 управляющего импульса должны быть умножены на заданный коэффициент трансформации временного масштаба, принятый в стробоскопическом преобразователе с осциллографом 9.

Из рассмотрения работы предлагаемого радиолокатора-интроскопа следует, что в нем достигается заданный технический результат автоматизированное обнаружение и идентификация (классификация) малоразмерных объектов при ограниченном времени наблюдения, обусловленном, например, однократностью прохода по заданному маршруту с заданной скоростью перемещения радиолокатора.

Claims (1)

1. Радиолокатор-интроскоп, содержащий блок формирования зондирующих СШП-импульсов, состоящий из первого излучающего антенно-фидерного блока и генератора импульсов ударного возбуждения, блок синхронизации, состоящий из последовательно соединенных синхронизатора и линии задержки, приемно-регистрирующий блок, состоящий из приемного антенно-фидерного блока, выход которого подключен к первому входу стробоскопического преобразователя с осциллографом, выход которого соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом ЭВМ, первый выход которой соединен с входом синхронизации первого аналого-цифрового преобразователя, с входом синхронизации стробоскопического преобразователя с осциллографом и с входом синхронизатора, при этом выход линии задержки соединен с входом генератора импульсов ударного возбуждения, отличающийся тем, что в него введены второй излучающий антенно-фидерный блок, смещенный по оси симметрии диаграммы направленности первого излучающего антенно-фидерного блока на заданную величину относительно поверхности облучения, переключатель каналов излучения, механически связанный с переключателем отраженных сигналов, а также ключ, первый и второй формирователи отраженных сигналов, блок автозахвата и автосопровождения, состоящий из временного различителя, первого, второго и третьего фильтров нижних частот, сумматора, блока вычитания, блока регулируемой задержки, первого генератора импульсов, первого и второго элементов И, первого и второго асинхронных RS-триггеров, элемента задержки, инвертора, первого элемента ИЛИ, при этом временной различитель состоит из третьего и четвертого элементов И и дифференциального детектора, блок анализа временных параметров проходной характеристики, состоящий из блока дифференцирования, первого порогового элемента, третьего асинхронного RS-триггера, второго порогового элемента, четвертого и пятого асинхронных RS-триггеров, первого четвертого элементов задержки, первого пятого ключей, первого и второго компараторов нулевого напряжения, первого, второго и третьего формирователей импульсов, первого и второго счетчиков импульсов, второго генератора импульсов, первого и второго блоков сравнения двоичных чисел, блока установки двоичного числа, асинхронного Т-триггера и пятого элемента И, блок управления каналами излучения и индикации, состоящий из шестого и седьмого асинхронных RS-триггеров, четвертого формирователя импульсов, второго элемента ИЛИ, четвертого фильтра нижних частот, первого и второго индикаторов, усилителя мощности и реле, первая контактная группа которого является переключателем каналов излучения, вторая контактная группа реле является переключателем отраженных сигналов, блок выборки и запоминания, второй аналого-цифровой преобразователь, при этом выход генератора импульсов ударного возбуждения соединен с подвижным контактом переключателя каналов излучения, первый неподвижный контакт которого соединен с входом первого излучающего антенно-фидерного блока, второй неподвижный контакт с входом второго излучающего антенно-фидерного блока, выход стробоскопического преобразователя с осциллографом соединен с информационным входом ключа, управляющий вход которого соединен с вторым выходом ЭВМ, выход ключа соединен с входами первого и второго формирователей отраженных сигналов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым неподвижными контактами переключателя отраженных сигналов, подвижный контакт которого соединен с входом временного различителя блока автозахвата и автосопровождения, выход временного различителя соединен через первый фильтр нижних частот с первым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, выход которого соединен с первым входом блока регулируемой задержки, выход которого соединен с входом первого генератора импульсов, первым входом первого элемента И и входом инвертора, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, выход первого элемента И соединен с установочным входом первого асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с входом второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, выход второго элемента И соединен с установочным входом второго асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом сумматора, вход временного различителя, к которому подключены первые входы третьего и четвертого элемента И, соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, первый выход первого генератора импульсов соединен с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом дифференциального детектора, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, второй вход которого соединен с входом сброса первого асинхронного RS-триггера и с вторым выходом первого генератора импульсов, выход дифференциального детектора является выходом временного различителя, вход сброса второго асинхронного RS-триггера соединен через элемент задержки с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, второй вход первого элемента ИЛИ соединен с третьим выходом ЭВМ, к второму и третьему входам которой подсоединены выходы соответственно первого и второго элементов И, выход сумматора соединен с входом блока дифференцирования блока анализа временных параметров проходной характеристики, выход блока дифференцирования соединен с входом первого порогового элемента и с информационными входами первого и четвертого ключей, выход первого порогового элемента соединен с установочным входом третьего асинхронного RS-триггера, выход первого ключа с входом первого компаратора нулевого напряжения, выход которого соединен с входом сброса четвертого асинхронного RS-триггера и входом второго элемента задержки, выход которого соединен с входом сброса третьего асинхронного RS-триггера, четвертым входом ЭВМ и управляющим входом первого блока сравнения двоичных чисел, выход четвертого ключа соединен с входом второго порогового элемента, выход которого соединен с установочным входом пятого асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа, выход первого формирователя отраженных сигналов соединен с установочным входом четвертого асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с входом первого формирователя импульсов и входом третьего элемента задержки, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, информационный вход которого соединен с информационным входом третьего ключа и с выходом второго генератора импульсов, выход первого формирователя импульсов соединен с входами сброса первого и второго счетчиков импульсов, выход второго ключа со счетным входом первого счетчика импульсов, группа выходов которого соединена с соответствующими входами первой группы информационных входов первого и второго блоков сравнения двоичных чисел, вторая группа информационных входов первого блока сравнения двоичных чисел соединена соответственно с группой выходов блока установки двоичного числа, выход третьего ключа соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, группа выходов которого соединена с соответствующими входами второй группы информационных входов второго блока сравнения двоичных чисел, выход блока дифференцирования соединен через второй компаратор нулевого напряжения с входом асинхронного Т-триггера, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И и через четвертый элемент задержки с вторым входом пятого элемента И, выход которого соединен с управляющим входом четвертого ключа, выход третьего асинхронного RS-триггера соединен через первый элемент задержки с управляющим входом первого ключа, входы сброса пятого и седьмого асинхронных RS-триггеров соединены с четвертым выходом ЭВМ, выход первого блока сравнения двоичных чисел соединен через второй формирователь импульсов с установочным входом шестого асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа, выход второго блока сравнения двоичных чисел соединен через третий формирователь импульсов с информационным входом пятого ключа, выход которого соединен с установочным входом седьмого асинхронного RS-триггера, выход которого соединен с входом второго индикатора, вход сброса шестого асинхронного RS-триггера соединен с управляющим входом второго блока сравнения двоичных чисел и подсоединен к выходу четвертого формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом блока вычитания, выход шестого асинхронного RS-триггера соединен с первым входом второго элемента ИЛИ и входом усилителя мощности, выход которого подключен к реле, второй вход второго элемента ИЛИ соединен с выходом третьего асинхронного RS-триггера, выход второго элемента ИЛИ через четвертый фильтр нижних частот с входом первого индикатора, выход первого компаратора нулевого напряжения с управляющим входом блока выборки и запоминания и управляющим входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход блока вычитания соединен с информационным входом блока выборки и запоминания, выход которого соединен с информационным входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с пятым входом ЭВМ.

Images