RU227004U1

RU227004U1 - Three-antenna georadar for detecting low-contrast objects

Info

Publication number: RU227004U1
Application number: RU2024108897U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Горкин; Владимир Иванович Сахтеров
Original assignee: Дмитрий Сергеевич Горкин
Filing date: 2024-04-03
Publication date: 2024-07-01

Abstract

Полезная модель относится к радиотехническим устройствам, предназначенным к использованию в связи, радиолокации, а также в геофизике и геологии для подповерхностного излучения и приема радиосигналов. Технический результат - увеличение количества информации, получаемой о фазовых характеристиках при формировании радарограммы отраженного сигнала с фазовыми электрофизическими границами, достигается за счет использования георадара с двумя излучающими передатчиками и передающей антенны, одним приемником и приемной антенны, расположенной между передающими антеннами, при этом георадар снабжен двумя передатчиками с передающими антеннами с разной поляризацией и одним приемником с приемной антенной с переключаемой поляризацией для повышения информативности зондирования слабоконтрастных объектов. 2 з.п. ф-лы, 6 ил. The utility model relates to radio engineering devices intended for use in communications, radar, as well as in geophysics and geology for subsurface radiation and reception of radio signals. The technical result is an increase in the amount of information obtained about the phase characteristics when forming a radargram of a reflected signal with phase electrophysical boundaries, is achieved through the use of a ground penetrating radar with two emitting transmitters and a transmitting antenna, one receiver and a receiving antenna located between the transmitting antennas, while the georadar is equipped with two transmitters with transmitting antennas with different polarizations and one receiver with a receiving antenna with switchable polarization to increase the information content of sensing low-contrast objects. 2 salary f-ly, 6 ill.

Description

Полезная модель относится к радиотехническим устройствам, предназначенным к использованию в связи, радиолокации, а также в геофизике и геологии для подповерхностного излучения и приема радиосигналов [G01V 3/12, G01S 13/95, Y02A 90/10].The utility model relates to radio engineering devices intended for use in communications, radar, as well as in geophysics and geology for subsurface radiation and reception of radio signals [G01V 3/12, G01S 13/95, Y02A 90/10].

Из уровня техники известен Способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности и устройство для его осуществления [RU 2244322 С1 - 2003-04-02], который относится к области исследования подземного строения почвы. Сущность: зондирующие импульсы формируют с помощью газового разрядника и облучают. Отраженные волны регистрируются, а зарегистрированный 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 амплитудного квантования сигнала. Логарифмическая полноволновая форма регистрируемого сигнала представляется в виде последовательного ряда форм сигнала в трехмерном виде, т.е. «профиль амплитуда-задержка-продолжительность» с цветовым кодированием амплитуды сигнала. Определяют значения диэлектрической проницаемости и затухания сигнала в нижележащих слоях, по которым судят о наличии подземных объектов. Одновременно с формированием полноволнового 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, газоразрядный формирователь зондирующих импульсов, передающую антенну и приемный блок, содержащий приемную антенну, соединенную последовательно с антенным усилителем и усилителем-ограничителем, которые соединены последовательно и составляют отдельный блок антенного усилителя. Усилитель-ограничитель подключен к первому выходу блока синхронизации. Базовый усилитель соединен со вторым выходным усилителем-ограничителем. Устройство также имеет плату управления, блок памяти, жидкокристаллический индикатор, процессорный блок. Первый вход блока обработки соединен с выходом базового усилителя, второй вход соединен с выходом 7-разрядного цифро-аналогового преобразователя и третий вход соединен с выходом контроллера. Выход блока обработки соединен 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 цифро-аналоговый преобразователь. Блок управления аттенюатором соединен с управляемым аттенюатором антенного усилителя. Включение передатчика осуществляется путем разрыва фотонной пары, связанной с платой управления базового блока и преобразователем напряжения передатчика. Фотонная пара состоит из ИК-диода и фотоприемника. Недостатком данного аналога является его недостаточная точность при отображении геологических структур подстилающей поверхности.A method of radar sensing of the underlying surface and a device for its implementation [RU 2244322 C1 - 2003-04-02], which relates to the field of studying the underground structure of soil, is known from the prior art. Essence: probing pulses are generated using a gas discharger and irradiated. The reflected waves are recorded, and the recorded signal is subjected to preliminary processing. The waveform of the signal is achieved by comparison with a threshold value specified by the quantization scale. Data is displayed on a liquid crystal display and recorded in memory. During preprocessing, a quasi-logarithmic scale of amplitude quantization of the signal is formed. The logarithmic full-wave form of the recorded signal is represented as a sequential series of signal forms in three-dimensional form, i.e. “amplitude-delay-duration profile” with color coding of signal amplitude. The values of dielectric constant and signal attenuation in the underlying layers are determined, by which the presence of underground objects is judged. Simultaneously with the formation of a full-wave signal, a binary frame is displayed on the screen of the liquid crystal display. A binary frame consists of a sequential series of full-waveforms selected at a given threshold. The radar sounding device contains a transmitter, a gas-discharge probe pulse shaper, a transmitting antenna and a receiving unit containing a receiving antenna connected in series with an antenna amplifier and a limiting amplifier, which are connected in series and form a separate antenna amplifier unit. The limiting amplifier is connected to the first output of the synchronization block. The base amplifier is connected to a second output limiting amplifier. The device also has a control board, a memory unit, a liquid crystal indicator, and a processor unit. The first input of the processing unit is connected to the output of the base amplifier, the second input is connected to the output of the 7-bit digital-to-analog converter and the third input is connected to the output of the controller. The output of the processing unit is connected to the input of the controller, which, in turn, is connected to a synchronization unit, a memory unit and a liquid crystal indicator. The controller is connected to the attenuator control unit via a 7-bit digital-to-analog converter. The attenuator control unit is connected to the controlled attenuator of the antenna amplifier. The transmitter is turned on by breaking the photon pair connected to the control board of the base unit and the transmitter voltage converter. The photon pair consists of an IR diode and a photodetector. The disadvantage of this analogue is its insufficient accuracy in displaying the geological structures of the underlying surface.

Также из уровня техники известна УСТАНОВКА ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДЛЕЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ [RU 2205424 C1 - 2005-03-20], которая относится к геофизическим приборам, применимым для исследования подземного 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 хранения данных, микропроцессор и двухмерный цветной дисплей, блок синхронизации, панель 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 накопителя , а второй выход блока управления - к третьему входу блока сравнения , вход блока управления - к первому выходу ПКП , второй выход которого подключен ко второму входу блока синхронизации. Технический результат - в устройстве внедрен микропроцессор, осуществляющий первичную обработку радиограмм, и цветной дисплей, с помощью которого результаты первичной обработки радиограмм отображаются в виде разреза, приближенного к реальному геологическому. Недостатком данного аналога является небольшая глубина зондирования подстилающей поверхности.Also known from the prior art is an INSTALLATION FOR RADAR PROBING OF THE SUBJECT SURFACE [RU 2205424 C1 - 2005-03-20], which refers to geophysical instruments applicable for studying the underground structure of soils to a depth of several tens of meters. The device contains a transmitter consisting of a series-connected high-voltage power source, a storage capacitor, a spark gap and a transmitting antenna, as well as a receiver including a series-connected receiving antenna, an attenuator, a limiting amplifier, a comparison unit, a data storage unit, a microprocessor and a two-dimensional color display, a unit synchronization, control panel and control unit; the input of the synchronization block is connected to the output of the limiter amplifier, and the output is connected to the second input of the comparison block, the first output of the control block is connected to the second input of the drive, and the second output of the control block is connected to the third input of the comparison block, the input of the control block is connected to the first output of the control panel, the second output of which is connected to the second input of the synchronization block. Technical result - the device contains a microprocessor that performs the primary processing of radiograms, and a color display, with the help of which the results of the initial processing of radiograms are displayed in the form of a section close to the real geological one. The disadvantage of this analogue is the small depth of probing of the underlying surface.

Наиболее близким по технической сущности является Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности [RU 2080622 С1 - 1994-02-15]. Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее передатчик, выполненный в виде последовательно соединенных разрядника и передающей антенны, приемник, выполненный в виде приемной антенны, аттенюатора, усилителя-ограничителя, блока сравнения и индикатора. Недостатком данного аналога является его недостаточная точность при отображении геологических структур и объектов подстилающей поверхности.The closest in technical essence is the Device for radar sounding of the underlying surface [RU 2080622 C1 - 1994-02-15]. A device for radar sounding of the underlying surface, containing a transmitter made in the form of a series-connected spark gap and a transmitting antenna, a receiver made in the form of a receiving antenna, an attenuator, a limiting amplifier, a comparison unit and an indicator. The disadvantage of this analogue is its insufficient accuracy in displaying geological structures and objects of the underlying surface.

Технический результат использования трехантенного георадара для обнаружения слабоконтрастных объектов заключается в увеличении количества информации, получаемой о фазовых характеристиках при формировании радарограммы отраженного сигнала с фазовыми электро-физическими границами.The technical result of using a three-antenna GPR to detect low-contrast objects is to increase the amount of information obtained about the phase characteristics when forming a radargram of the reflected signal with phase electro-physical boundaries.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что на корпусе георадара смонтирован передатчик с передающей антенной и приемник с приемной антенной, выполненные с возможностью излучения и приема радиосигнала для формирования радарограммы отраженного сигнала с фазовыми электро-физическими границами, отличающееся тем, что на корпусе дополнительно смонтирован передатчик с передающей антенной, таким образом, что между двумя передающими антеннами размещена приемная антенна, при этом передающие антенны выполнены с возможностью излучения сигналов разной поляризации, приемная антенна выполнена с возможностью приема сигналов с различной поляризацией.The declared technical result is achieved due to the fact that a transmitter with a transmitting antenna and a receiver with a receiving antenna are mounted on the body of the georadar, configured to emit and receive a radio signal to form a radargram of the reflected signal with phase electro-physical boundaries, characterized in that it is additionally mounted on the body a transmitter with a transmitting antenna, such that a receiving antenna is placed between the two transmitting antennas, wherein the transmitting antennas are configured to emit signals of different polarizations, the receiving antenna is configured to receive signals with different polarizations.

В частности, антенны передатчиков и приемника расположены параллельно друг другу.In particular, the transmitter and receiver antennas are located parallel to each other.

В частности, антенны передатчиков и приемника расположены последовательно друг за другом.In particular, the transmitter and receiver antennas are located in series one behind the other.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

На фиг. 1 представлено параллельное расположение антенн приемника и передатчиков, приемник расположен в центре.In fig. Figure 1 shows a parallel arrangement of receiver and transmitter antennas, the receiver is located in the center.

На фиг. 2 представлено последовательное расположение антенн приемника и передатчиков, приемник в центре.In fig. Figure 2 shows the sequential arrangement of the receiver and transmitter antennas, the receiver in the center.

На фиг. 3 представлена радарограмма, две антенны 1 м установлены параллельно, передатчик - впереди, приемник - позади.In fig. Figure 3 shows a radargram, two 1 m antennas are installed in parallel, the transmitter is in front, the receiver is behind.

На фиг. 4 представлена радарограмма, две антенны 1 м параллельно, приемник - впереди, передатчик - позади.In fig. Figure 4 shows a radargram, two 1 m antennas in parallel, the receiver is in front, the transmitter is behind.

На фиг. 5 представлена радарограмма, три антенны через 1 м установлены параллельно, передатчик впереди и позади, приемник посередине. Применен метод сложения и вычитания.In fig. Figure 5 shows a radargram, three antennas 1 m apart are installed in parallel, the transmitter is in front and behind, the receiver is in the middle. The addition and subtraction method is used.

На фиг. 6 представлен исследуемый геологический разрез. 1 - суглинок, 2, 3, 4 песок разной фракции и косые слабо контрастные границы разносортных песков.In fig. Figure 6 shows the geological section under study. 1 - loam, 2, 3, 4 sand of different fractions and oblique, weakly contrasting boundaries of different grades of sand.

На фигурах 1-2 показаны: передатчик - 1, передающая антенна - 2, приемник - 3, приемная антенна - 4.Figures 1-2 show: transmitter - 1, transmitting antenna - 2, receiver - 3, receiving antenna - 4.

Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model

Трехантенный георадар для обнаружения слабоконтрастных объектов содержит передатчики 1, выполненные в виде последовательно соединенных разрядника и передающей антенны 2 размещенные на корпусе устройства, и приемник 3, выполненный с приемной антенной 4. Приемник 3 и приемная антенна 4 также смонтированы на корпусе.A three-antenna georadar for detecting low-contrast objects contains transmitters 1, made in the form of a series-connected spark gap and transmitting antenna 2 located on the device body, and a receiver 3, made with a receiving antenna 4. Receiver 3 and receiving antenna 4 are also mounted on the body.

Приемник 3 и приемная антенна 4, а также передатчики 1 и передающие антенны 2 выполнены с возможностью выявления слабоконтрастных объектов, при этом два передатчика 1 с передающими антеннами 2 выполнены с возможностью работы поочередно. Передающие антенны 2 и приемная антенна 4 могут быть расположены как параллельно, так и последовательно, при этом приемная антенна 4 размещена между передающими антеннами 2.The receiver 3 and the receiving antenna 4, as well as the transmitters 1 and the transmitting antennas 2 are designed to detect low-contrast objects, while the two transmitters 1 with the transmitting antennas 2 are designed to operate alternately. The transmitting antennas 2 and the receiving antenna 4 can be located either in parallel or in series, while the receiving antenna 4 is located between the transmitting antennas 2.

Полезная модель используется следующим образомThe utility model is used as follows

При зондировании с двумя передающими антеннами 2 и передатчиками 1, которые меняют полярность при измерении и расположенными между ними одним приемником 3 и приемной антенны 4, зона покрытия увеличивается в 2 раза и в 4 раза увеличивается площадь отраженной волны (сигнала) по сравнению с классическими георадарами. При получении четырех сигналов с одной точки измерения, в отличии от одного сигнала с классическими георадарами, требуются другие подходы обработке данных с выделением амплитудных, фазовых и поляризационных смещенных характеристик сигналов. Принципы обработки состоят в наложении сигналов друг на друга и использовании системы алгоритмов вычитания, сложения, умножения, деления, извлечения степени и корня и логарифмов, и так далее, из этих четырех слагаемых, в зависимости от задачи и электрических свойств типов изучаемых пород. увеличение количества и качества слабоконтрастных геолого-геофизических границ и объектов при увеличении глубины исследований по сравнению с классическими георадарами.When sounding with two transmitting antennas 2 and transmitters 1, which change polarity during measurement and one receiver 3 and receiving antenna 4 located between them, the coverage area increases by 2 times and the area of the reflected wave (signal) increases by 4 times compared to classic georadars . When receiving four signals from one measurement point, in contrast to one signal with classical georadars, other approaches to data processing are required to highlight the amplitude, phase and polarization shifted characteristics of the signals. The processing principles consist of superimposing signals on each other and using a system of algorithms for subtracting, adding, multiplying, dividing, extracting powers and roots and logarithms, and so on, from these four terms, depending on the task and the electrical properties of the types of rocks being studied. an increase in the quantity and quality of low-contrast geological and geophysical boundaries and objects with an increase in the depth of research compared to classical ground penetrating radars.

Технический результат - увеличение количества информации, получаемой о фазовых характеристиках при формировании радарограммы отраженного сигнала с фазовыми электро-физическими границами, достигается за счет использования георадара с двумя излучающими передатчиками 1 и передающей антенны 2, одним приемником 3 и приемной антенны 4, расположенной между передающими антеннами 2, при этом георадар снабжен двумя передатчиками 1 с передающими антеннами 2 с разной поляризацией, и одним приемником 3 с приемной антенной 4 с переключаемой поляризацией для повышения информативности зондирования слабоконтрастных объектов.Technical result - an increase in the amount of information obtained about the phase characteristics when forming a radargram of a reflected signal with phase electro-physical boundaries is achieved through the use of a ground penetrating radar with two emitting transmitters 1 and a transmitting antenna 2, one receiver 3 and a receiving antenna 4 located between the transmitting antennas 2, while the georadar is equipped with two transmitters 1 with transmitting antennas 2 with different polarizations, and one receiver 3 with a receiving antenna 4 with switchable polarization to increase the information content of sensing low-contrast objects.

Пример реализацииImplementation example

При перемещении георадара с двумя антеннами вдоль профиля геометрия слоев и объектов имеет в большинстве случаев не горизонтальную плоскость отражения, поэтому эффективная площадь рассеивания уменьшается, так как при определенном угле падения на плоскость или объект уменьшается эффективность выделения слоев, объектов и глубины исследования. Для решения данной проблемы был использован георадар глубинной высокоразрешающей импульсной электроразведки (ГВИЭР) с двумя излучающими передатчиками и антеннами, одним приемником антенной расположенной между передающими антеннами. Устройство было снабжено двумя передатчиками с антеннами, с разной поляризацией, и одним приемником с антенной, с переключаемой поляризацией для повышения информативности зондирования слабоконтрастных объектов. Экспериментально было установлено, что увеличивается эффективная площадь рассеивания объекта в 2 раза исходя из геометрии облучения цели двумя передающими антеннами и в 4 раза больше информации об фазовых отраженных характеристиках сравнению с классическим георадаром. Результаты измерений приведены на фиг. 3-6.When moving a GPR with two antennas along a profile, the geometry of layers and objects in most cases does not have a horizontal plane of reflection, therefore the effective dispersion area decreases, since at a certain angle of incidence on the plane or object the efficiency of identifying layers, objects and the depth of study decreases. To solve this problem, a deep high-resolution pulsed electrical prospecting radar (GVIER) was used with two emitting transmitters and antennas, one receiver antenna located between the transmitting antennas. The device was equipped with two transmitters with antennas with different polarizations, and one receiver with an antenna with switchable polarization to increase the information content of sensing low-contrast objects. It was experimentally established that the effective dispersion area of the object increases by 2 times based on the geometry of the target irradiation by two transmitting antennas and by 4 times more information about the phase reflected characteristics compared to a classic ground penetrating radar. The measurement results are shown in Fig. 3-6.

На фиг. 3 представлена радарограмма с фазовыми электро-физическими границами, отображает средне геологическую структуру, две антенны установлены через 1 м параллельно, передатчик - впереди, приемник - позади.In fig. Figure 3 shows a radargram with phase electro-physical boundaries, displays the average geological structure, two antennas are installed 1 m apart in parallel, the transmitter is in front, the receiver is behind.

На фиг. 4 представлена радарограмма с фазовыми электро-физическими границами, отображает плохо геологические границы и слои, две антенны установлены через 1 м параллельно, приемник - впереди, передатчик - позади.In fig. Figure 4 shows a radargram with phase electro-physical boundaries, poorly displays geological boundaries and layers, two antennas are installed 1 m apart in parallel, the receiver is in front, the transmitter is behind.

На фиг. 5 представлена радарограмма фазовыми электро-физическими границами, которая максимально повторяет геологическую структуру и слои, хорошо фиксируются границы между песками, три антенны через 1 м установлен параллельно, передатчик - впереди и позади, приемник - посередине. Применен метод сложения и вычитания.In fig. Figure 5 shows a radargram with phase electro-physical boundaries, which maximally repeats the geological structure and layers, the boundaries between sands are well recorded, three antennas every 1 m are installed in parallel, the transmitter is in front and behind, the receiver is in the middle. The addition and subtraction method is used.

На фиг. 6 представлен геологический разрез. 1 - суглинок, 2, 3, 4 песок разной фракции и косые слабо контрастные границы разносортных песков.In fig. Figure 6 shows a geological section. 1 - loam, 2, 3, 4 sand of different fractions and oblique, weakly contrasting boundaries of different grades of sand.

Заявленное устройство является единым изделием, изготавливаемым на заводе изготовителе, посредством сборочных операций и состоит из механически и электрически соединенных элементов.The claimed device is a single product manufactured at the manufacturer's plant through assembly operations and consists of mechanically and electrically connected elements.

Claims

1. A three-antenna georadar for detecting low-contrast objects, on the housing of which a transmitter with a transmitting antenna and a receiver with a receiving antenna are mounted, configured to emit and receive a radio signal to generate a radargram of the reflected signal with phase electrophysical boundaries, characterized in that a transmitter with transmitting antenna in such a way that a receiving antenna is placed between the two transmitting antennas, wherein the transmitting antennas are configured to emit signals of different polarizations, the receiving antenna is configured to receive signals with different polarizations.

2. Three-antenna georadar according to claim 1, characterized in that the transmitter and receiver antennas are located parallel to each other.

3. Three-antenna georadar according to claim 1, characterized in that the transmitter and receiver antennas are located sequentially one after another.