RU218691U1 - Георадар для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к классу геофизических приборов, предназначенных для исследований подповерхностных слоев земли зондированием электромагнитными импульсами. Устройство может применяться для решения задач общей геологии, инженерной геологии, археологии и экологии. Технический результат - уменьшение масса-габаритных показателей приемника георадара зондирования подстилающей поверхности, достигается за счет того, что была проведена оптимизация количества внутренних узлов георадара, а также были использованы программно-аппаратные решения, в частности функции аттенюатора, блока сравнения реализованы программным образом в многоканальном АЦП; блок памяти, блок управления и двумерный индикатор реализованы программными возможностями регистратора, функции усилителя-ограничителя разделены между узлом согласования и усилителем, управление осциллографом производится из программы регистратора, сохранение полученных данных также производится в память регистратора. Все вышесказанное позволило существенно сократить как вес, так и габариты устройства. Наличие указанных в конструкции заявленного устройства функциональных элементов также обосновывается требованием к выполнению георадара зондирования подстилающей поверхности своего функционального назначения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к классу геофизических приборов, предназначенных для исследований подповерхностных слоев земли зондированием электромагнитными импульсами. Устройство может применяться для решения задач общей геологии, инженерной геологии, археологии и экологии [G01V 3/12, G01S 13/89, G01S 13/95].

Из уровня техники известны СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ [RU 2244322 (C1) - 2005-01-10], относящиеся к изучению подповерхностного строения почвы. Сущность: зондирующие импульсы формируют с помощью газового разрядника и облучают. Регистрируются отраженные волны и регистрируемый сигнал подвергается предварительной обработке. Волновая форма сигнала достигается путем сравнения с пороговым значением, заданным шкалой квантования. Данные выводятся на жидкокристаллический индикатор и записываются в память. В ходе предварительной обработки формируется квазилогарифмическая шкала квантования амплитуды сигнала. Логарифмическая полноволновая форма регистрируемого сигнала представляется в виде последовательного ряда форм волн сигнала в трехмерном виде, т.е. «амплитуда-задержка время-длина профиля» с цветовым кодированием амплитуды сигнала. Определяют значения диэлектрической проницаемости и затухания сигнала в нижележащих слоях, по которым судят о наличии подповерхностных объектов. Одновременно с полноволновой формой сигнала на экран жидкокристаллического индикатора выводится двоичный кадр. Двоичный кадр состоит из последовательного ряда полноволновых форм, выбранных при заданном пороговом значении. Устройство радиолокационного зондирования содержит передатчик, формирователь зондирующих импульсов газоразрядного типа, передающую антенну и приемный блок, в котором приемная антенна соединена последовательно с антенным усилителем и усилителем-ограничителем, которые соединены последовательно и составляют отдельный блок антенного усилителя. Усилитель-ограничитель подключен к первому выводу блока синхронизации. Базовый усилитель соединен со вторым выходом усилителя-лимитера. Устройство также имеет плату управления, блок памяти, жидкокристаллический индикатор, блок обработки. Первый вход блока обработки соединен с выходом базового усилителя, второй вход соединен с выходом 7-разрядного цифроаналогового преобразователя, а третий вход соединен с выходом контроллера. Выход блока обработки связан с входом контроллера, который, в свою очередь, связан с блоком синхронизации, блоком памяти и жидкокристаллическим индикатором. Контроллер связан с блоком управления аттенюатором через 7-разрядный цифроаналоговый преобразователь. Блок управления аттенюатором связан с управляемым аттенюатором антенного усилителя. Приведение передатчика в работу осуществляется разрывом фотонно-связанной пары, соединенной с платой управления базовым блоком и преобразователем напряжения передатчика. Фотонно-связанная пара состоит из ИК-диода и фотоприемника.

Недостатком данного технического решения является сложная организация взаимодействия между различными техническими узлами прибора.

Также из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ [RU 2248585 (C2) - 2005-03-20], относящееся к геофизическим приборам, предназначенным для исследования подповерхностного строения грунтов на глубину до нескольких десятков метров. Устройство содержит передатчик, состоящий из последовательно соединенных высоковольтного источника питания, накопительного конденсатора, разрядника и передающей антенны, а также приемник, включающий последовательно соединенные приемную антенну, аттенюатор, усилитель-ограничитель, блок сравнения, блок памяти, микропроцессор и двухмерный цветной дисплей, блок синхронизации, пульт управления и блок управления; вход блока синхронизации подключен к выходу усилителя-ограничителя, а выход ко второму входу блока сравнения, первый выход блока управления подключен ко второму входу блока хранения, а второй выход блока управления - к третьему входу блока сравнения, вход блока управления - к первому выходу пульта управления, второй выход которого подключен ко второму входу блока синхронизации.

Технический результат заключается в том, что в устройство введены микропроцессор, осуществляющий первичную обработку радиограмм, и цветной дисплей, с помощью которого результаты первичной обработки радиограмм отображаются в виде разреза, близкого к реальному геологическому. Недостатком данного технического решения является большое количество технических узлов прибора, взаимодействие между которыми требует отладки перед каждым использованием прибора.

Наиболее близкой по технической сущности является УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ [RU94005474 (A) - 1997-04-10], которое содержит двухмерный индикатор, имеющий двухуровневую модуляцию яркости и/или прозрачности и отображающий ситуации, когда сигнал превышает пороговый уровень. Глубина зондирования увеличивается за счет накопления мощности. При этом устройство приемник, состоящий из последовательно соединенных приемной антенны, аттенюатора, усилителя-ограничителя, блока сравнения, блока памяти и двумерного индикатора, при этом вход блока синхронизации соединен с выходом усилителя-ограничителя, а выход - со вторым входом блока сравнения, первый выход блока управления - со вторым входом блока памяти, а второй выход блока управления - с третьим входом блока сравнения, а вход блока управления - с первым выходом пульта управления, второй выход которого подключен ко второму блока синхронизации. Технический результат заключается в упрощении конструкции при уменьшении глубины зондирования. Недостатком данного технического решения является ограничение возможностей при зондировании на большую глубину.

Основным недостатком всех приборов данного назначения является из высокие масса-габаритные показатели, из-за наличия в их составе узлов и деталей, чьи характеристики и работоспособность зависит от большого количества как природных, так и эксплуатационных факторов, влияющих на их работу в полевых условиях. Задача обеспечения качественного функционирования устройства прототипа решается благодаря использования по большей части аналоговых устройств, которые помимо технической сложности имеют высокие масса-габаритные показатели, ограничивающие использование приемника георадара.

Техническим результатом полезной модели является уменьшение масса-габаритных показателей георадара зондирования подстилающей поверхности.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что георадар для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности выполненный в виде приемопередающего комплекса в котором в едином корпусе выполнены передающий модуль, включающий высоковольтный блок питания, который соединен с накопительным конденсатором, который соединен с высоковольтным разрядником, который соединен с блоком согласования, который соединен с передающей резистивно-нагруженной антенной, и приемный модуль, включающий приемную резистивно-нагруженную антенну, соединенную с узлом согласования, первый выход узла согласования соединен с первым входом АЦП, второй выход узла согласования соединен с усилителем, выход которого соединен со вторым входом АЦП, АЦП соединен с регистратором, при этом все функциональные элементы передающего и приемного модуля соединены с общим источником питания.

В частности, АЦП выполнен в виде 4-канального USB осциллографа.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена общая схема георадара.

На фиг. 2 представлен интерфейс программы управления «Пилигрим».

На фиг 3. представлен интерфейс программы для камеральной обработки данных георадарной съемки «Матрикс».

На фиг. 1-3 обозначены: 1 - высоковольтный источник питания, 2 - накопительный конденсатор, 3 - высоковольтный разрядник, 4 - блок согласования, 5 - передающая резистивно-нагруженная антенна; 6 - приемная резистивно-нагруженная антенна, 7 - узел согласования, 8 - усилитель, 9 - многоканальный АЦП, 10 - регистратор.

Осуществление полезной модели

Георадар для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности выполнен в виде приемопередающего комплекса, в котором в едином корпусе выполнены передающий модуль и приемный модуль (на фиг.не показаны). В свою очередь, передающий модуль содержит последовательно соединенные высоковольтный источник питания 1, накопительный конденсатор 2, высоковольтный разрядник 3 и подключенную через блок согласования 4 передающую резистивно-нагруженную антенну 5.

Приемный модуль содержит последовательно включенные приемную резистивно-нагруженную антенну 6, узел согласования 7, усилитель 8, многоканальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 9, регистратор 10.

При этом в приемном модуле приемная резистивно-нагруженная антенна 6 соединена с узлом согласования 7, первый выход узла согласования 7 соединен с первым входом многоканальной АЦП 9, второй выход узла согласования соединен с усилителем 8, выход которого соединен со вторым входом многоканальной АЦП 9, многоканальный АЦП 9 соединен с регистратором 10. В передающем модуле, включающий высоковольтный блок питания 1, соединен с накопительным конденсатором 2, который соединен с высоковольтным разрядником 3, который соединен с блоком согласования 4, который соединен с передающей резистивно-нагруженной антенной 5.

Все указанные функциональные элементы премного и передающего модулей объединены общим корпусом приемопередатчика и соединены с общим источником питания, в качестве которого может выступать аккумуляторная батарея (на фиг. не обозначена).

Полезная модель используется следующим образом

Напряжение с высоковольтного источника питания 1 заряжает накопительный конденсатор 2, при достижении соответствующего напряжения происходит пробой высоковольтного разрядника 3, и напряжение с накопительного конденсатора через блок согласования 4 подается в виде короткого видеоимпульса на передающую резистивно-нагруженную антенну 5. При этом блок согласования 4 выполняет свою функцию трансформации цепей между передатчиком с несимметричным выходом и передающей резистивно-нагруженной антенной 5 с симметричным входом, дополнительно шунтируя ее от возникновения паразитных колебаний. Далее передающая резистивно-нагруженная антенна 5 производит излучение электромагнитной волны в среду. Отраженная от границы сред или объемного объекта электромагнитная волна возвращается обратно и наводит электричество на приемную резистивно-нагруженную антенну 6. Полученный сигнал с симметричного выхода приемной резистивно-нагруженной антенны 6 поступает на узел согласования 7, в узле согласования сигнал делится на два несимметричных выхода, сигнал с одного выхода поступает на вход усилителя 8 с фиксированным усилением 40 dB, с другого выхода узла согласования 7 сигнал поступает на один из входов в многоканальный АЦП 9, реализованного на базе 4-канального USB осциллографа, сигнал с выхода усилителя 8 поступает на второй вход многоканального АЦП 9. В многоканальном АЦП 9 производится усиление принятого сигнала согласно программным установкам, программная синхронизация по уровню переднего фронта принимаемого сигнала для начала оцифровки, с возможностью изменения частоты дискретизации, и передача полученной информации в регистратор 10.

По сравнению с прототипом некоторые узлы разработанного георадара вместо физического изготовления реализованы за счет возможностей применяемых узлов, в частности функции аттенюатора, блока сравнения из прототипа нами реализованы программным образом в АЦП 9, блок памяти, блок управления и двумерный индикатор нами реализованы программным образом в регистраторе 10. В качестве регистратора используется ноутбук или планшет. Вместо усилителя-ограничителя технически реализован усилитель 8, имеющий фиксированное усиление для дополнительного усиления сигнала, более точная настройка усиления производится программным образом, так же программным образом производится изменение частоты дискретизации АЦП.

Технический результат - уменьшение масса-габаритных показателей приемника георадара зондирования подстилающей поверхности, достигается за счет того, что при конструировании заявленного устройства была проведена оптимизация количества внутренних узлов георадара, а также были использованы программно-аппаратные решения, в частности функции аттенюатора, блока сравнения реализованы программным образом в многоканальном АЦП 9; блок памяти, блок управления и двумерный индикатор реализованы программными возможностями регистратора 10, функции усилителя-ограничителя разделены между узлом согласования 7 и усилителем 8, управление осциллографом производится из программы регистратора 10, сохранение полученных данных также производится в память регистратора 10. Все вышесказанное позволило существенно сократить как вес, так и габариты устройства. Наличие указанных в конструкции заявленного устройства функциональных элементов также обосновывается требованием к выполнению георадара зондирования подстилающей поверхности своего функционального назначения.

Примеры реализации

Предлагаемое техническое решение реализовано в виде макета, при этом использование готовых узлов позволило значительно снизить вес, габариты (и стоимость) георадара. В частности, по сравнению с решениями реализованными аппаратно - заявленное программно-аппаратное решение позволило в среднем уменьшить вес на 30-60%, габариты на 40-80%. При этом уменьшение масса-габаритных показателей не сказалось на функционале решения, который остается либо равен либо увеличенным по сравнению с решениями аналогов и прототипа.

В частности, отдельно стоит отметить, что благодаря заваленной конструкции - отсутствует необходимость физического изготовления узлов, работающих на частотах 1 ГГц, снижено количество высокочастотных соединителей и специализированных кабелей. Разработано программное обеспечение, при этом используются дополнительные функции программного обеспечения производителя, в частности, накопление сигнала, изменение порога синхронизации и т.д. На фиг. 2 представлен результат работы программы управления. Слева принятый сигнал в волновой форме, справа - профиль георадарной съемки. На фиг. 3 слева представлена обработанная радарограмма, где изменение амплитуды принимаемого сигнала изображается изменением цветовой палитры, справа показана волновая форма принятого сигнала одиночного кадра, здесь же в нижней части видна взаимосвязь амплитуды сигнала и цветов палитры. Благодаря разработанной программе имеется возможность просмотра амплитуды, временных и фазовых характеристик принятого сигнала и обработки любого кадра радарограммы.

Claims (2)

1. Георадар для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, выполненный в виде приемопередающего комплекса, в котором в едином корпусе выполнены передающий модуль, включающий высоковольтный блок питания, который соединен с накопительным конденсатором, который соединен с высоковольтным разрядником, который соединен с блоком согласования, который соединен с передающей резистивно-нагруженной антенной, и приемный модуль, включающий приемную резистивно-нагруженную антенну, соединенную с узлом согласования, первый выход узла согласования соединен с первым входом аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), второй выход узла согласования соединен с усилителем, выход которого соединен со вторым входом АЦП, АЦП соединен с регистратором, при этом все функциональные элементы передающего и приемного модуля соединены с общим источником питания.

2. Георадар по п. 1, отличающийся тем, что АЦП выполнен в виде 4-канального USB-осциллографа.

Images