RU2244322C1 - Method and device for radiolocation sounding of underlaying surface - Google Patents
Method and device for radiolocation sounding of underlaying surface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2244322C1 RU2244322C1 RU2003109226/28A RU2003109226A RU2244322C1 RU 2244322 C1 RU2244322 C1 RU 2244322C1 RU 2003109226/28 A RU2003109226/28 A RU 2003109226/28A RU 2003109226 A RU2003109226 A RU 2003109226A RU 2244322 C1 RU2244322 C1 RU 2244322C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- signal
- amplifier
- output
- full
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
- G01V3/12—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electromagnetic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/885—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for ground probing
Abstract
Description
Изобретение относится к геофизике и предназначено для исследования подповерхностной структуры почвы и обнаружения объектов до глубин в несколько десятков и сотен метров и применимо для решения научных и инженерных задач в различных областях, таких как геофизика, геология, строительство, археология.The invention relates to geophysics and is intended to study the subsurface structure of the soil and detect objects to depths of several tens and hundreds of meters and is applicable for solving scientific and engineering problems in various fields, such as geophysics, geology, construction, archeology.
Известен способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, включающий формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя-ограничителя, получение волновой формы сигнала методом компарирования с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память (RU 2080622 С1, 27.05.1997).A known method of radar sensing of the underlying surface, including the formation of sounding pulses using a gas spark gap, their radiation by the transmitting antenna, registration of reflected waves by the receiving antenna, preliminary processing of the registered signal in the receiving unit using an attenuator and an amplifier-limiter, obtaining a waveform of the signal by comparing with a value threshold, set on a quantization scale, the output of information on the screen of a liquid crystal display (LCD) and recording e in the memory (RU 2080622 C1, 27/05/1997).
Недостатком способа является то, что принятый за основной бинарный режим не позволяет в сложных ситуациях производить правильную интерпретацию полученных данных.The disadvantage of this method is that adopted for the main binary mode does not allow in difficult situations to produce the correct interpretation of the data.
Задачей изобретения является создание нового режима регистрации - “полноволновая форма логарифмическая”.The objective of the invention is the creation of a new registration mode - “full wave form logarithmic”.
Известно устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее автономный передатчик, включающий последовательно соединенные таймер и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также устройство содержит панель управления, блок памяти и ЖКИ (RU 2080622 С1, 27.05.1997).A device is known for radar sensing of the underlying surface, comprising an autonomous transmitter including a serially connected timer and a voltage converter connected to a power source, and a probe pulse generator on a gas spark gap, and a transmit antenna connected via a connector, a receiving unit including a receiving antenna connected in series and structurally series-connected attenuator and amplifier boundaries combined in a separate unit of the antenna amplifier rer coupled to the first output of the synchronization unit, coupled to the second output of the limiter amplifier main amplifier, and a device comprises a control panel, LCD and memory unit (RU 2080622 C1, 05/27/1997).
Недостатками устройства являются недостаточный динамический диапазон, что приводит к ограничению амплитуды сигнала при получении волновой формы, а также к полной потере информации об амплитуде сигнала в режиме бинарных форм.The disadvantages of the device are insufficient dynamic range, which leads to a limitation of the amplitude of the signal upon receipt of the wave form, as well as to a complete loss of information about the amplitude of the signal in binary mode.
Задачей изобретения является создание устройства для реализации нового режима регистрации - “полноволновая форма логарифмическая”.The objective of the invention is to provide a device for implementing a new registration mode - “full wave form logarithmic”.
Техническим результатом является оперативное получение информации о подповерхностных структурах и объектах в виде двумерных картин в реальном времени, обнаружение подповерхностных объектов с более высоким пространственным разрешением по сравнению с бинарным режимом.The technical result is the rapid receipt of information about subsurface structures and objects in the form of two-dimensional pictures in real time, the detection of subsurface objects with higher spatial resolution compared to the binary mode.
Технический результат достигается тем, что способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности включает формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя-ограничителя, получение волновой формы сигнала методом компарирования с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память. При предварительной обработке зарегистрированного сигнала для увеличения динамического диапазона регистрации с помощью многоразрядного ЦАП и блока управления аттенюатором формируют квазилогарифмическую шкалу квантования амплитуды сигнала. По логарифмической полноволновой форме зарегистрированного сигнала, представленной в виде последовательного ряда волновых форм сигнала в трехмерной форме - “амплитуда - время задержки - длина профиля” с цветовой кодировкой амплитуды сигнала, определяют значения диэлектрической постоянной и затухания сигнала в подстилающих слоях, по величине которых судят о наличии подповерхностных объектов, а для оперативного контроля на экран ЖКИ одновременно с кадром полноволновой формы сигнала выводят бинарный кадр, составленный из последовательного ряда полноволновых форм, выделенных при заданной величине порога.The technical result is achieved by the fact that the method of radar sounding of the underlying surface includes the generation of probe pulses using a gas spark gap, their radiation by the transmitting antenna, registration of reflected waves by the receiving antenna, preliminary processing of the registered signal in the receiving unit using an attenuator and an amplifier-limiter, obtaining a waveform of the signal by comparing with a threshold value set on a quantization scale, displaying information on a liquid crystal screen indicator (LCD) and its recording in memory. When pre-processing the registered signal to increase the dynamic range of registration using a multi-bit DAC and an attenuator control unit, a quasi-logarithmic scale of quantization of the signal amplitude is formed. Using the logarithmic full-waveform of the registered signal, presented in the form of a series of waveforms of the waveform in three-dimensional form - “amplitude - delay time — profile length” with color coding of the signal amplitude, the dielectric constant and signal attenuation in the underlying layers are determined, the value of which determines the presence of subsurface objects, and for operational control, a binary frame composed of a sequence is displayed on the LCD screen simultaneously with the full-waveform frame a series of full-wave forms isolated at a given threshold value.
Кроме того, технический результат достигается тем, что устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности содержит передатчик, включающий последовательно соединенные таймер и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные управляемый аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также устройство содержит панель управления, блок памяти и ЖКИ. Основной блок устройства, связанный с приемным блоком посредством кабеля, дополнительно содержит блок обработки, первый вход которого соединен с выходом основного усилителя, а второй - с выходом 7-разрядного ЦАП, а третий вход - с выходом контроллера, выход блока обработки соединен со входом контроллера, соединенного также с блоком синхронизации, блоком памяти, панелью управления и ЖКИ, контроллер через 7-разрядный ЦАП соединен с блоком управления аттенюатором, который посредством кабеля соединен с управляемым аттенюатором антенного усилителя, при этом запуск передатчика осуществляется путем разрыва оптоэлектронной пары, связанной с панелью управления основного блока и преобразователем напряжения передатчика и выполненной в виде инфракрасного светодиода и фотоприемника.In addition, the technical result is achieved by the fact that the device for radar sensing of the underlying surface comprises a transmitter including a serially connected timer and a voltage converter connected to a power source, and a probe pulse generator on a gas spark gap, and a transmit antenna connected via a connector, a receiving unit including serially connected receiving antenna and structurally combined into a separate unit of the antenna amplifier are serially connected controllable attenuator and a limiting amplifier, coupled to the first output of the synchronization unit, coupled to the second output of the limiter amplifier main amplifier, and a device comprises a control panel, a memory and LCD. The main unit of the device, connected to the receiving unit via a cable, additionally contains a processing unit, the first input of which is connected to the output of the main amplifier, and the second to the output of the 7-bit DAC, and the third input to the output of the controller, the output of the processing unit is connected to the input of the controller , also connected to the synchronization unit, memory unit, control panel and LCD, the controller is connected via an 7-bit DAC to an attenuator control unit, which is connected via cable to an antenna amplifier controlled attenuator of Tell, wherein the transmitter is carried out by launching gap optoelectronic pair associated with the base unit control panel and voltage inverter and a transmitter constructed as an infrared LED and photodetector.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства.Figure 1 presents a block diagram of a device.
На фиг.2 представлен типичный кадр логарифмической полноволновой формы отраженного от подповерхностных структур и объектов сигнала, по горизонтальной оси отложен десятичный логарифм амплитуды сигнала, по вертикальной оси - времена задержки отраженного сигнала в нсек (миллиардная доля секунды).Figure 2 presents a typical logarithmic full-waveform of the signal reflected from subsurface structures and objects, the decimal logarithm of the signal amplitude is plotted along the horizontal axis, and the delay times of the reflected signal in nsec (billionth of a second) are plotted along the vertical axis.
На фиг.3 представлен для сравнения кадр линейной волновой формы с ограничением амплитуды сигнала в верхней части кадра. По горизонтальной оси отложено значение амплитуды в линейном масштабе.Figure 3 presents for comparison a frame of a linear waveform with a limitation of the amplitude of the signal at the top of the frame. The horizontal axis represents the amplitude value on a linear scale.
На фиг.4 представлен цветной (отпечатанный на черно-белом принтере) кадр из логарифмических полноволновых форм, иллюстрирующий более высокое по сравнению с бинарным кадром пространственное разрешение.Figure 4 presents a color (printed on a black and white printer) frame from logarithmic full-wave forms, illustrating a higher spatial resolution compared to a binary frame.
На фиг.5 представлен для сравнения с фиг.4 бинарный кадр того же участка.Figure 5 presents for comparison with figure 4 a binary frame of the same section.
На фиг.6 представлен кадр логарифмической полноволновой формы с 4-мя участками, где огибающие амплитуды сигнала аппроксимируются прямыми линиями.Figure 6 presents a frame of a logarithmic full-wave form with 4 sections, where the envelopes of the signal amplitudes are approximated by straight lines.
Устройство содержит передатчик и приемные блоки, причем передатчик 1 включает аккумулятор 15, таймер 16, преобразователь напряжения 17, формирователь зондирующих импульсов 18, разъемную от блока передающую антенну 2; фотоприемник оптоэлектронной пары 5, а приемные блоки включают приемную антенну 3, соединенный с ней через разъем антенный усилитель 4, содержащий управляемый аттенюатор 19, усилитель-ограничитель 20 и светодиод оптоэлектронной пары 5, и соединенный кабелем с антенным усилителем конструктивно отдельный основной блок, содержащий блок синхронизации 6, основной усилитель 7, блок обработки 8, контроллер 9, ЖКИ 10, встроенную память 11, панель управления 12, 7-разрядный ЦАП 13 и блок управления аттенюатором 14.The device comprises a transmitter and receiving blocks, the transmitter 1 including a
В устройстве предусмотрен режим “бинарных форм”, т.е. полноволновых форм сигнала, выделенных при заданной величине порога. Возможна регистрация по выбору одного или трех кадров, с порогом 0 и двумя дополнительными порогами в пределах +16÷-16, что несколько обогащает возможность интерпретации данных в сложных ситуациях. Режим “бинарных форм” выгодно отличается от режима “полноволновых” форм малым объемом требуемой встроенной памяти, но использование его ограничено сравнительно простыми задачами, такими как обнаружение труб и коммуникаций.The device has a mode of “binary forms", i.e. full-waveform waveforms allocated at a given threshold value. It is possible to register at the choice of one or three frames, with a threshold of 0 and two additional thresholds within + 16 ÷ -16, which somewhat enriches the ability to interpret data in difficult situations. The mode of “binary forms” compares favorably with the mode of “full-wave” forms in the small amount of internal memory required, but its use is limited by relatively simple tasks, such as detecting pipes and communications.
В устройстве в качестве основного режима используется новый режим “логарифмических полноволновых форм”. Переключение аттенюатора производится программно с помощью 7-разрядного ЦАП так, чтобы на экране ЖКИ амплитуда сигнала регистрировалась в логарифмическом масштабе. Кадр на экране ЖКИ имеет 128 пикселей по горизонтали, из них левые 63 пикселя предназначены для отображения положительных сигналов, правые 64 пикселя - для отрицательных сигналов, а 64-й пиксель соответствует нулевому сигналу (нулевой порог). При малых амплитудах измеряемого сигнала аттенюатор не включается. До пикселя плюс и минус 8 (8 пикселей влево и вправо от нулевого 64-го пикселя) шаг квантования (приращение амплитуды сигнала при возрастании на 1 модуля порога) одинаково, следующие 4 пикселя шаг квантования порога увеличивается вдвое (приращение на два уровня порога на один пиксель), или, другими словами, крутизна отрезка прямой уменьшается вдвое, следующие 4 пикселя - вчетверо, следующие 4 пикселя - в восемь раз. После этого (плюс - минус двадцатого пикселя) приводится в действие управляемый аттенюатор: в каждом прямолинейном отрезке, состоящем из 3-х последующих пикселей, задаются повторно 3 последние значения порога, но с подключением аттенюатора с последовательно возрастающим ослаблением с шагом 4 дБ (4;8 и т.д. до 56 дБ). Поэтому крутизна прямолинейных участков (в пределах 3-х пикселей) последовательно уменьшается, и в результате с увеличением номера пикселя от середины (64-го пикселя) амплитуда сигнала на экране ЖКИ возрастает по квазилогарифмическому закону (кусочно-линейная аппроксимация), и таким образом удается увеличить динамический диапазон регистрируемого сигнала до ~100 дБ (42 дБ дает 7-разрядный ЦАП и 56 дБ - управляемый аттенюатор) без использования многоразрядного высокочастотного АЦП. К достоинству предложенной схемы регистрации полноволновых форм также следует отнести то, что чувствительность приемного тракта выше при малых порогах (50-75 мкВ при нулевом пороге), так как при больших амплитудах сигнала собственные шумы приемника несущественны.The device uses the new mode of “logarithmic full-wave forms” as the main mode. The attenuator is switched programmatically using a 7-bit DAC so that on the LCD screen the signal amplitude is recorded in a logarithmic scale. The frame on the LCD screen has 128 horizontal pixels, of which the left 63 pixels are for displaying positive signals, the right 64 pixels are for negative signals, and the 64th pixel corresponds to a zero signal (zero threshold). At small amplitudes of the measured signal, the attenuator does not turn on. Up to plus and minus 8 pixels (8 pixels to the left and right of the 64th pixel zero) the quantization step (increment of the signal amplitude when increasing by 1 threshold module) is the same, the next 4 pixels the quantization step of the threshold doubles (increment by two threshold levels by one pixel), or, in other words, the steepness of a straight line segment is halved, the next 4 pixels are quadrupled, the next 4 pixels are eight times. After this (plus or minus the twentieth pixel), the controlled attenuator is activated: in each rectilinear segment, consisting of 3 subsequent pixels, the last 3 threshold values are set again, but with the attenuator connected with a sequentially increasing attenuation in 4 dB steps (4; 8 etc. up to 56 dB). Therefore, the steepness of the rectilinear sections (within 3 pixels) sequentially decreases, and as a result of increasing the pixel number from the middle (64th pixel), the signal amplitude on the LCD screen increases according to the quasi-logarithmic law (piecewise-linear approximation), and thus increase the dynamic range of the recorded signal to ~ 100 dB (42 dB gives a 7-bit DAC and 56 dB a controlled attenuator) without using a multi-bit high-frequency ADC. The advantage of the proposed registration scheme for full-wave forms should also include the fact that the sensitivity of the receiving path is higher at low thresholds (50-75 μV at zero threshold), since at high signal amplitudes the receiver’s noise is not significant.
Устройство состоит из трех конструктивно раздельных блоков (фиг.1). Передатчик 1 питается от встроенного источника питания 15 и состоит из таймера 16, задающего частоту следования (~1 кГц) зондирующих импульсов, преобразователя напряжения 17, повышающего напряжение с 10-15 В до 5 кB, и формирователя зондирующего импульса 18 на основе прецизионного газового разрядника. При подаче напряжения питания на основной блок работа преобразователя напряжения 17 блокируется с помощью оптоэлектронной пары 5, и только при нажатии кнопки “пуск” режима регистрации снимается блокировка преобразователя напряжения 17, заряжается накопительный конденсатор в формирователе зондирующего импульса 18. Напряжение на разряднике постепенно возрастает, наступает пробой разрядника, конденсатор замыкается на передающую антенну 2, формируя мощный зондирующий сверхширокополосный видеоимпульс. Зондирующий импульс первым достигает приемной антенны 3 по воздушному промежутку между антеннами, и по крутому переднему фронту этого импульса формируется синхроимпульс в блоке синхронизации 6, который служит временной привязкой для всего процесса обработки сигнала. Отраженные от подповерхностных объектов сигналы с запаздыванием, в зависимости от удаленности и глубины их нахождения, последовательно попадают на приемную антенну 3. Принятый сигнал предварительно обрабатывается в антенном усилителе 4 управляемым аттенюатором 19 и усилителем-ограничителем 20. Ограничение амплитуды сигнала производится с целью защиты приемного тракта от перегрузки. Сигнал с выхода антенного усилителя 4 передается по кабелю в основной блок, где доусиливается в основном усилителе 7 и попадает в блок обработки 8, в котором производится сравнение сигнала с порогом, задаваемым 7-разрядным ЦАП 13 и блоком управления аттенюатором 14 по квазилогарифмической шкале квантования. Превышение сигналом порога регистрируется в двоичном коде как “1”, отсутствие превышения регистрируется как “0”. Для привязки временных задержек моментов превышения сигналом порога используется синхроимпульс, сформированный в блоке синхронизации 6. С выхода блока обработки информация через контроллер 9 выводится на экран ЖКИ 10 и записывается в блок памяти 11. Режим работы контроллера задается через меню и подменю на панели управления 12. Перекачка информации из блока памяти 11 в персональный компьютер производится по последовательному порту с помощью нуль-модемного кабеля. Объем встроенной памяти 11 позволяет сохранять 500 кадров “бинарной” формы или 3000 кадров “полноволновой” формы в упакованном виде. Перекачка информации производится под управлением компьютера по протоколу связи либо отдельными кадрами, либо группами кадров, объединенных в так называемые “трассы-линии”. В качестве источника питания антенного усилителя и основного блока используется внешний, подсоединяемый разъемом аккумулятор на 12 В емкостью 7 А·ч.The device consists of three structurally separate blocks (figure 1). The transmitter 1 is powered by a built-in
Неприятной проблемой при ударном возбуждении антенны является возникновение периодических колебаний на собственной частоте, так называемый “звон” антенны. В георадиолокации обозреваемые объекты находятся в ближней зоне, и первые отраженные импульсы от объектов приходят с минимальной задержкой после зондирующего импульса. Звон, накладываясь на эти сигналы, полностью маскирует их, поэтому для уменьшения слепой зоны необходимо принять меры по их устранению. В устройстве используются резистивно-нагруженные дипольные антенны с коэффициентом подавления 0,35. При таком демпфировании заметен только один паразитный импульс звона. Потери в потенциале за счет демпфирования антенн компенсируются введением осреднения сигнала по 16 измерениям. С учетом этого можно легко подсчитать теоретический потенциал георадара ~150-160 дБ из отношения напряжения передатчика к чувствительности приемного тракта георадара. Реальный потенциал георадара может разительно отличаться от теоретически рассчитанного, поэтому для устройства декларируется более низкий, по сравнению с теоретическим, потенциал 100-130 дБ. Экспериментальное определение потенциала георадара представляет очень сложную проблему из-за неопределенности многих факторов, таких как свойства антенн и условия распространения сигнала.An unpleasant problem with shock excitation of an antenna is the occurrence of periodic oscillations at its own frequency, the so-called “ringing” of the antenna. In GPR, the monitored objects are in the near zone, and the first reflected pulses from the objects come with a minimum delay after the probing pulse. Ringing, superimposed on these signals, completely disguises them, therefore, to reduce the blind zone, it is necessary to take measures to eliminate them. The device uses resistively-loaded dipole antennas with a suppression ratio of 0.35. With this damping, only one spurious ringing pulse is noticeable. Potential losses due to antenna damping are compensated by introducing averaging of the signal over 16 measurements. With this in mind, it is possible to easily calculate the theoretical GPR potential of ~ 150-160 dB from the ratio of the transmitter voltage to the sensitivity of the receiving path of the GPR. The real potential of the GPR can be very different from the theoretically calculated one, therefore a lower potential of 100-130 dB is declared for the device compared to the theoretical one. The experimental determination of the GPR potential is a very difficult problem due to the uncertainty of many factors, such as the properties of antennas and the propagation conditions of the signal.
Для улучшения оперативного контроля получаемого материала в устройстве при использовании цветного ЖКИ на одну половину индикатора выводится составной кадр из полноволновых форм с цветовой кодировкой амплитуды сигнала в трехмерной форме - “амплитуда - время задержки - длина профиля” и одновременно на другую половину индикатора - “бинарная форма”, т.е. полноволновая форма, выделенная при заданной величине порога.To improve the operational control of the material obtained in the device when using a color LCD, a composite frame of full-wave forms with color coding of the signal amplitude in three-dimensional form is displayed on one half of the indicator - “amplitude - delay time - profile length” and simultaneously on the other half of the indicator - “binary form” ”, I.e. full-wave form allocated at a given threshold value.
Кадры “бинарных форм” легко расшифровываются даже в полевых условиях, и по бинарным кадрам при необходимости принимается решение о внесении корректировки в процесс измерения. Процесс измерения состоит в следующем: исследуемый участок разбивается на ряд точек с определенным шагом, и в каждой точке регистрируется кадр полноволнового сигнала, характерный вид которого приведен на фиг.2. Для сравнения на фиг.3 приведена волновая форма с ограничением по амплитуде. В случае наличия сбоя или помех последний полноволновой кадр стирается, и проводится повторная регистрация кадра.Frames of “binary forms” are easily decrypted even in the field, and if necessary, the decision is made on binary frames to make adjustments to the measurement process. The measurement process consists in the following: the studied area is divided into a number of points with a certain step, and at each point a frame of a full-wave signal is recorded, a characteristic view of which is shown in Fig.2. For comparison, figure 3 shows the waveform with a limited amplitude. In the event of a malfunction or interference, the last full-wave frame is deleted and the frame is re-registered.
Составной трехмерный кадр из полноволновых форм с цветовой кодировкой амплитуды позволяет в несколько раз улучшить пространственное разрешение в области малых временных разверток за счет амплитудной дискриминации сигналов от объектов (на фиг.3 такая область обведена прямоугольной рамкой), а также выделять объекты, невидимые на “бинарных формах” из-за наложения на сигнал от объектов прямого зондирующего импульса.A composite three-dimensional frame of full-waveforms with color-coded amplitude allows several times to improve spatial resolution in the field of small time scans due to amplitude discrimination of signals from objects (in Fig. 3 such an area is surrounded by a rectangular frame), as well as to select objects that are invisible on “binary” forms ”due to the superposition of a direct probe pulse on the signal from the objects.
Последовательный ряд полноволновых форм содержит всю доступную для георадаров информацию о диэлектрической проницаемости и затухании сигнала в подповерхностной среде. Представление амплитуды регистрируемого сигнала в логарифмическом масштабе удобно еще и тем, что по “картине” на индикаторе оперативно можно оценить затухание сигнала в подповерхностных слоях, так как огибающая амплитуда сигнала является прямой линией при постоянстве затухания сигнала в слое, что хорошо видно на фиг.6. На этом рисунке можно уверенно идентифицировать 4 слоя с прямолинейной огибающей до времен задержки сигнала примерно 140 нсек. По наклону прямых огибающих можно оценить омическое затухание сигнала в слое, а участки излома или разрыва огибающей соответствуют границам перехода между слоями. В теоретических рассмотрениях обычно используется плоскослоистая, параллельная земной поверхности модель среды, и в такой среде каждый слой предполагается однородным с постоянной диэлектрической проницаемостью и омическим затуханием за счет проводимости. В такой модели зондирующий сигнал отражается только на границах перехода между слоями и отчасти на объектах, имеющих отличные от вмещающей среды электродинамические параметры. Но практика георадарных исследований, в частности наблюдения на устройстве, показывает, что такая модель далека от реальности в большинстве случаев. Подповерхностная среда, в отличие от воздушной, является существенно неоднородной. В каждом слое имеется множество отражающих объектов, таких как камни, включения другой породы, антропогенные объекты и т.д., расположенные на различных расстояниях от антенн георадара, и прямые линии на фиг.6 являются огибающими (в среднем) сигналов от множества отражающих объектов в слое.A sequential series of full-wave forms contains all the information on dielectric permeability and attenuation of a signal in a subsurface medium that is accessible to georadars. Representation of the amplitude of the recorded signal on a logarithmic scale is also convenient because by the “picture” on the indicator it is possible to quickly evaluate the signal attenuation in subsurface layers, since the envelope of the signal amplitude is a straight line with a constant signal attenuation in the layer, which is clearly seen in Fig. 6 . In this figure, 4 layers with a rectilinear envelope can be confidently identified up to a signal delay time of approximately 140 nsec. From the slope of the direct envelopes, the ohmic attenuation of the signal in the layer can be estimated, and the sections of kink or rupture of the envelope correspond to the boundaries of the transition between the layers. In theoretical considerations, a plane-layered model of the medium parallel to the earth’s surface is usually used, and in such a medium each layer is assumed to be uniform with constant dielectric constant and ohmic attenuation due to conductivity. In such a model, the probe signal is reflected only at the boundaries of the transition between the layers and partly on objects that have electrodynamic parameters different from the surrounding medium. But the practice of georadar studies, in particular observations on the device, shows that such a model is far from reality in most cases. The subsurface medium, in contrast to the air, is substantially heterogeneous. In each layer there are many reflective objects, such as stones, inclusions of another rock, anthropogenic objects, etc., located at different distances from the georadar antennas, and the straight lines in Fig. 6 are the envelopes (on average) of signals from many reflective objects in the layer.
Другим параметром подповерхностной среды, определяемым по георадарограммам, является диэлектрическая проницаемость, по величине равная квадрату показателя преломления среды. Георадарный образ интенсивных отражателей сигнала, каковыми являются, в частности, кабели и трубы, имеют вид гиперболических кривых, крутизна крыльев которых зависит от скорости распространения сигнала и, соответственно, от показателя преломления среды. Но при расчете величины диэлектрической проницаемости отражающий объект рассматривается как математическая точка, что существенно увеличивает погрешность. Определение показателя преломления осуществляется по гиперболам, при этом учитываются конечные размеры отражающих объектов. Для этого в приближении геометрической оптики решено уравнение 6-й степени по переменным параметрам. При диаметре труб 0,5 м и глубине залегания 1-2 м и показателе преломления 3 учет диаметра трубы уменьшает глубину залегания на 20% (или увеличивает на 20% показатель преломления).Another parameter of the subsurface medium, determined by GPR, is the dielectric constant, the size of which is equal to the square of the refractive index of the medium. The georadar image of intense signal reflectors, which, in particular, cables and pipes, are in the form of hyperbolic curves, the steepness of the wings of which depends on the speed of signal propagation and, accordingly, on the refractive index of the medium. But when calculating the dielectric constant, the reflecting object is considered as a mathematical point, which significantly increases the error. The refractive index is determined by hyperbolas, and the final dimensions of reflecting objects are taken into account. For this, in the geometric optics approximation, an equation of the 6th degree in variable parameters is solved. With a pipe diameter of 0.5 m and a depth of 1-2 m and a refractive index of 3, taking into account the diameter of the pipe reduces the depth by 20% (or increases the refractive index by 20%).
В тех случаях, когда применимо приближение параллельности границ перехода слоев земной поверхности, для определения показателя преломления строится годограф - гиперболическая кривая отраженного сигнала от границ слоев, полученная при увеличивающемся расстоянии между передающей и приемной антенной, и по годографу определяется показатель преломления в слое и, соответственно, диэлектрическая проницаемость.In those cases when the approximation of parallelism of the transition boundaries of the Earth's surface layers is applicable, to determine the refractive index, a hodograph is constructed - a hyperbolic curve of the reflected signal from the boundaries of the layers, obtained with an increasing distance between the transmitting and receiving antennas, and the refractive index in the layer is determined from the hodograph and, accordingly, , the dielectric constant.
Найденные величины диэлектрической проницаемости и затухания сигнала важны для уверенного отождествления состава подповерхностной почвы (например, песок-супесь-суглинок-глина). После нахождения показателей преломления подповерхностных слоев времена задержки сигнала трансформируются в глубины, причем для каждого слоя задается свой коэффициент перевода “время задержки - глубина”.The found values of permittivity and signal attenuation are important for the reliable identification of the composition of subsurface soil (for example, sand-sandy loam-loam-clay). After finding the refractive indices of the subsurface layers, the signal delay times are transformed into depths, and for each layer, its own conversion coefficient “delay time - depth” is set.
Полноволновая форма представляет собой двумерный кадр (амплитуда - время задержки), а составной кадр из последовательного множества полноволновых форм является трехмерным (амплитуда - время задержки - длина профиля), что весьма неудобно при выводе и отображении информации. Для обработки полноволновых форм вместо третьей (амплитудной) координаты используются цветовая градация амплитуды сигнала. Количество цветов (обычно 32 цвета) и цветовая палитра подбирается и вводится в кадр по выбору оператора. На цветных кадрах выделяются линии максимальной (положительной) и минимальной (отрицательной) амплитуды, и по этим линиям и по линиям смены полярности сигнала (бинарный кадр с порогом 0) определяют так называемые линии синфазности сигнала, которым соответствуют подповерхностные объекты и слои. Кроме цветного кадра можно получить любой бинарный кадр на любом из 128 порогов в виде черно-белого или монохромного кадра. И цветные, и черно-белые кадры обрабатываются по стандартной методике бинарных форм.The full-waveform is a two-dimensional frame (amplitude - delay time), and a composite frame of a consecutive set of full-waveforms is three-dimensional (amplitude - delay time - profile length), which is very inconvenient when displaying and displaying information. To process full-waveforms, instead of the third (amplitude) coordinate, the color gradation of the signal amplitude is used. The number of colors (usually 32 colors) and the color palette are selected and entered into the frame at the choice of the operator. The lines of maximum (positive) and minimum (negative) amplitudes are highlighted on color frames, and the so-called common-mode lines of the signal, which correspond to subsurface objects and layers, are determined by these lines and by lines of signal polarity change (binary frame with threshold 0). In addition to a color frame, you can get any binary frame on any of 128 thresholds in the form of a black-and-white or monochrome frame. Both color and black and white frames are processed according to the standard method of binary forms.
Вышеописанное представление полноволновых форм выгодно отличается от широко распространенного способа “wiggle trace - изображение амплитуд отклонениями”, когда волновые формы (wave form) ужимаются в узкую ленту, и из последовательного ряда таких лент набирается кадр. (В литературе принято называть полноволновые формы “трассами” - перевод английского слова “trace”.)The above representation of full-wave forms compares favorably with the widespread method of “wiggle trace - image of amplitudes by deviations”, when wave forms are compressed into a narrow ribbon and a frame is drawn from a series of such ribbons. (In the literature, it is customary to call full-wave forms “traces” - a translation of the English word “trace”.)
Таким образом, удачные технические решения в устройстве позволили реализовать оптимальные эксплуатационные характеристики.Thus, successful technical solutions in the device made it possible to realize optimal operational characteristics.
Claims (2)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003109226/28A RU2244322C1 (en) | 2003-04-02 | 2003-04-02 | Method and device for radiolocation sounding of underlaying surface |
PCT/RU2003/000150 WO2004111685A1 (en) | 2003-04-02 | 2003-04-10 | Method for radar sounding an underlying surface and device for carrying out said method |
AU2003271240A AU2003271240A1 (en) | 2003-04-02 | 2003-04-10 | Method for radar sounding an underlying surface and device for carrying out said method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003109226/28A RU2244322C1 (en) | 2003-04-02 | 2003-04-02 | Method and device for radiolocation sounding of underlaying surface |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003109226A RU2003109226A (en) | 2004-10-20 |
RU2244322C1 true RU2244322C1 (en) | 2005-01-10 |
Family
ID=33550546
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003109226/28A RU2244322C1 (en) | 2003-04-02 | 2003-04-02 | Method and device for radiolocation sounding of underlaying surface |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU2003271240A1 (en) |
RU (1) | RU2244322C1 (en) |
WO (1) | WO2004111685A1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA009971B1 (en) * | 2007-11-15 | 2008-04-28 | Блаас Холдингс Лимитед | Method for radiolocation sounding of underlying surface and device therefor -.a complex of georadar reconnaissance |
RU2490672C1 (en) * | 2012-02-29 | 2013-08-20 | Закрытое акционерное общество "Таймер" | Method for radar probing of underlying surface and apparatus for realising said method |
RU2513671C1 (en) * | 2012-10-16 | 2014-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Method for radar location of objects in weakly conductive media |
RU2550773C1 (en) * | 2014-02-25 | 2015-05-10 | Закрытое акционерное общество "Таймер" | Method and system of ground penetrating radar logging |
RU2570600C1 (en) * | 2014-07-22 | 2015-12-10 | Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП") | Method for simulation when designing antennae |
RU2707419C1 (en) * | 2019-02-28 | 2019-11-26 | Ярослав Викторович Савватеев | Method for georadiolocation sounding and device for its implementation |
RU2816128C1 (en) * | 2022-10-13 | 2024-03-26 | Общество с ограниченной ответственностью "Таймер" | Method for deep georadar and device for implementation thereof |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112485836B (en) * | 2020-11-11 | 2023-06-20 | 中国科学院空天信息创新研究院 | Relevant identification data preprocessing method based on pseudorandom coding threshold optimization |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2080622C1 (en) * | 1994-02-15 | 1997-05-27 | Научно-производственное объединение информационного и физического приборостроения | Device for radar probing of underlying surface |
RU2105330C1 (en) * | 1996-07-25 | 1998-02-20 | Акционерное общество "Ассоциация "Радиоавионика" | Geophysical radar |
GB9811728D0 (en) * | 1998-06-02 | 1998-07-29 | Searchwell Ltd | Radar apparatus |
US6377201B1 (en) * | 1998-06-03 | 2002-04-23 | Science Applications International Corporation | Radar and method therefor |
-
2003
- 2003-04-02 RU RU2003109226/28A patent/RU2244322C1/en not_active IP Right Cessation
- 2003-04-10 WO PCT/RU2003/000150 patent/WO2004111685A1/en not_active Application Discontinuation
- 2003-04-10 AU AU2003271240A patent/AU2003271240A1/en not_active Abandoned
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA009971B1 (en) * | 2007-11-15 | 2008-04-28 | Блаас Холдингс Лимитед | Method for radiolocation sounding of underlying surface and device therefor -.a complex of georadar reconnaissance |
RU2490672C1 (en) * | 2012-02-29 | 2013-08-20 | Закрытое акционерное общество "Таймер" | Method for radar probing of underlying surface and apparatus for realising said method |
RU2513671C1 (en) * | 2012-10-16 | 2014-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Method for radar location of objects in weakly conductive media |
RU2550773C1 (en) * | 2014-02-25 | 2015-05-10 | Закрытое акционерное общество "Таймер" | Method and system of ground penetrating radar logging |
RU2570600C1 (en) * | 2014-07-22 | 2015-12-10 | Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП") | Method for simulation when designing antennae |
RU2707419C1 (en) * | 2019-02-28 | 2019-11-26 | Ярослав Викторович Савватеев | Method for georadiolocation sounding and device for its implementation |
RU2816128C1 (en) * | 2022-10-13 | 2024-03-26 | Общество с ограниченной ответственностью "Таймер" | Method for deep georadar and device for implementation thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2004111685A1 (en) | 2004-12-23 |
AU2003271240A1 (en) | 2005-01-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6617996B2 (en) | Ground penetrating radar with audible output | |
TW381165B (en) | Method and apparatus for detecting mines using radiometry | |
RU2244322C1 (en) | Method and device for radiolocation sounding of underlaying surface | |
Flewellen et al. | TOBI, a vehicle for deep ocean survey | |
CN111736173A (en) | Depth measuring device and method based on TOF and electronic equipment | |
RU2436130C2 (en) | Method and system for radar probing earth interior | |
RU2451300C1 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
RU2282875C1 (en) | Building structure exploration device | |
RU2490672C1 (en) | Method for radar probing of underlying surface and apparatus for realising said method | |
RU2003109226A (en) | METHOD OF RADAR SURVEYING OF SUBSTRATE SURFACE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION | |
CN1595197A (en) | Intelligent self-adaptive laser scanning distance-measuring imaging device | |
RU2623668C1 (en) | Method of remote determination of the relative dielectric permeability of the environment under the atmosphere-ocean border | |
Guenther | Wind And Nadir Angle Effects On Airborne Lidar Water" Surface" Returns | |
RU2816128C1 (en) | Method for deep georadar and device for implementation thereof | |
RU2256941C1 (en) | Mobile georadar for remote search for location of subterranean main communications and determining of their cross-section size and depth under the soil | |
RU81812U1 (en) | DEVICE FOR RADAR SENSING OF SUBSURFACE SPACE | |
RU2635332C1 (en) | Method of determining state of ice cover | |
Cao et al. | Measuring Thickness of Borehole Sediments by Using Ultrasonic Technology | |
CN211741171U (en) | Scanning inversion device and three-dimensional imaging equipment | |
RU2510882C1 (en) | Device for determining ionosphere altitude in scanned area | |
RU2105330C1 (en) | Geophysical radar | |
CN219657887U (en) | Hidden engineering detection imaging device | |
RU2248585C2 (en) | Device for radar sounding of underlying surface | |
RU2640291C1 (en) | Device for radar sensing substrate surface | |
JP3535284B2 (en) | Method and apparatus for measuring the degree of compaction of soil |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060403 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20070710 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110403 |