RU2393501C1 - Method of subsurface sounding - Google Patents

Method of subsurface sounding Download PDF

Info

Publication number
RU2393501C1
RU2393501C1 RU2009111748/09A RU2009111748A RU2393501C1 RU 2393501 C1 RU2393501 C1 RU 2393501C1 RU 2009111748/09 A RU2009111748/09 A RU 2009111748/09A RU 2009111748 A RU2009111748 A RU 2009111748A RU 2393501 C1 RU2393501 C1 RU 2393501C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
subsurface
antennas
rotation
signals
receiving antennas
Prior art date
Application number
RU2009111748/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Татьяна Николаевна Бершадская (RU)
Татьяна Николаевна Бершадская
Андрей Георгиевич Поляков (RU)
Андрей Георгиевич Поляков
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Радиоавионика"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Радиоавионика" filed Critical Открытое акционерное общество "Радиоавионика"
Priority to RU2009111748/09A priority Critical patent/RU2393501C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2393501C1 publication Critical patent/RU2393501C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: proposed method relates to radar systems using ultrabroadband (UBB) signals intended for detection of subsurface objects and imagery thereof. In compliance with this invention, subsurface objects are sounded by central radiating aerial UBB signals and reflected signals are received by orthogonal electrical and magnetic aerials arranged on circumference of rotation. Measurement of current position of aerials, their altitude above underlaying surface and electromagnetic field components allows defining Pointing vector at multiple points of rotation circumference and calculating position of subsurface object reflecting points for object imagery. Changing receiving aerial rotation radius allows selecting most optimum aerial position for imagery of subsurface object from entire set of radar data.
EFFECT: increased comprehension of made measurements.
3 cl, 3 dwg

Description

Заявляемый способ подповерхностного зондирования относится к георадарам, а именно радиолокационным системам, использующим сверхширокополосные (СШП) сигналы, предназначенным для обнаружения и построения изображения подповерхностных объектов. Способ может быть использован в военном деле, строительстве, археологии и других областях для обнаружения и построения изображения различных, в том числе и неметаллических предметов.The inventive method of subsurface sounding relates to georadars, namely radar systems using ultra-wideband (UWB) signals, designed to detect and image subsurface objects. The method can be used in military affairs, construction, archeology and other areas for the detection and construction of images of various, including non-metallic objects.

Известен способ подповерхностного зондирования [1], заключающийся в радиолокационном исследовании подповерхностных объектов антенной решеткой, содержащей множество антенн и, соответственно, приемников, передатчиков и другой аппаратуры обработки.A known method of subsurface sounding [1], which consists in radar research of subsurface objects with an antenna array containing many antennas and, accordingly, receivers, transmitters and other processing equipment.

Недостатком таких способов являются большие аппаратные затраты, а следовательно, стоимость, вес, габариты устройств, реализующих этот способ. Помимо этого такие устройства представляют собой, по сути, несколько отдельных не связанных друг с другом георадаров, каждый из которых построен по бистатической схеме, не позволяющей определять направление прихода сигналов от исследуемого объекта и других объектов, создающих мешающие отражения. Это значительно затрудняет, а часто делает невозможным построение изображения исследуемого объекта.The disadvantage of such methods is the large hardware costs, and therefore the cost, weight, dimensions of devices that implement this method. In addition, such devices are, in fact, several separate unconnected georadars, each of which is built according to a bistatic scheme that does not allow determining the direction of arrival of signals from the object under study and other objects that create interfering reflections. This greatly complicates, and often makes it impossible to construct an image of the investigated object.

Известен способ подповерхностного зондирования [2], заключающийся в измерении по отдельности электрических и магнитных компонент электромагнитного поля. Реализация данного способа предполагает сосредоточенное размещение 2 электрических и 3 магнитных ортогональных антенн. Компоненты электромагнитного поля позволяют вычислить вектор Пойтинга и тем самым определить направление на излучатель (отражатель).A known method of subsurface sounding [2], which consists in measuring separately the electrical and magnetic components of the electromagnetic field. The implementation of this method involves the concentrated placement of 2 electric and 3 magnetic orthogonal antennas. The components of the electromagnetic field make it possible to calculate the Poyting vector and thereby determine the direction to the emitter (reflector).

Недостатком данного способа является сложность технической реализации ортогональных сосредоточенных антенн как по конструктивным соображениям, так и из-за взаимовлияния антенн. Кроме того, для получения изображения подповерхностного объекта требуется перемещать антенны, измерять координаты текущего пространственного положения, что является непростой задачей.The disadvantage of this method is the complexity of the technical implementation of orthogonal lumped antennas, both for structural reasons and due to the mutual influence of the antennas. In addition, to obtain an image of a subsurface object, it is necessary to move the antennas and measure the coordinates of the current spatial position, which is not an easy task.

Известен способ подповерхностного зондирования [3], заключающийся в размещении ограниченного числа приемных антенн на окружности радиуса R и вращении их вокруг ее центра, приеме этими антеннами зондирующих сигналов, отраженных от подповерхностных объектов, измерении текущего углового положения антенн с последующей обработкой полученных результатов. Таким образом, данный способ позволяет организовать синтез апертуры с заранее выбранным разрешением, а расположение антенн на окружности позволяет достаточно просто определить их текущие координаты. Кроме того, этот способ предполагает возможность использования не только радиочастотного диапазона, но и ультразвуковых и иных приемо-передающих элементов.A known method of subsurface sounding [3], which consists in placing a limited number of receiving antennas on a circle of radius R and rotating them around its center, receiving by these antennas sounding signals reflected from subsurface objects, measuring the current angular position of the antennas, followed by processing the results. Thus, this method allows you to organize the synthesis of the aperture with a pre-selected resolution, and the location of the antennas on the circle makes it quite simple to determine their current coordinates. In addition, this method involves the possibility of using not only the radio frequency range, but also ultrasonic and other transceiver elements.

Недостатками данного способа данного способа являются низкая информативность измерений и сложность технической реализации. Низкая информативность обусловлена тем, что в большинстве измерительных систем, построенных на основе излучения зондирующих и приеме отраженных от объекта исследования сигналов, диаграммы направленности источников и приемников имеют определенную ширину, как правило, не менее 60°. При этом оказывается сложно обнаружить отраженный сигнал, поскольку его амплитуда зависит от углов излучения, отражения и приема, поглощающих свойств среды и других факторов. Еще труднее определить точное направление на отражающий объект. Иногда эти задачи удается решить в дальней зоне объекта исследования. Сложность технической реализации обусловлена, во-первых, тем, что в способе [3] предполагается вращение антенн вокруг собственной оси в направлении, противоположном вращению всего антенного комплекса, что порождает сложность механической конструкции. Кроме того, использование в качестве излучающих одной или нескольких антенн, расположенных на окружности вращения, порождает сложность вычислений.The disadvantages of this method of this method are the low information content of the measurements and the complexity of the technical implementation. Low information content is due to the fact that in most measuring systems based on the radiation of probing signals and the reception of signals reflected from the object of study, the radiation patterns of sources and receivers have a certain width, usually at least 60 °. It turns out to be difficult to detect the reflected signal, since its amplitude depends on the angles of radiation, reflection and reception, absorbing properties of the medium and other factors. Even more difficult to determine the exact direction of the reflecting object. Sometimes these problems can be solved in the far zone of the object of study. The complexity of the technical implementation is due, firstly, to the fact that in the method [3] it is assumed that the antennas rotate around their own axis in the direction opposite to the rotation of the entire antenna complex, which causes the complexity of the mechanical structure. In addition, the use as emitting one or more antennas located on the circumference of rotation, creates the complexity of the calculations.

Задачей, решаемой заявляемым способом, является повышение информативности измерений при использовании радиолокационных методов и сверхширокополосных сигналов, что, в конечном счете, позволит получить правдоподобное изображение подповерхностного объекта.The problem solved by the claimed method is to increase the information content of measurements when using radar methods and ultra-wideband signals, which, ultimately, will provide a plausible image of a subsurface object.

Для решения указанных задач по п.1 формулы изобретения в способе подповерхностного зондирования, заключающемся в том, что приемные антенны георадара устанавливают по окружности радиуса R и вращают вокруг ее центра, принимают приемными антеннами георадара зондирующие сигналы, отраженные от подповерхностных объектов, измеряют текущее угловое положение антенн, в центре окружности вращения приемных антенн устанавливают неподвижную передающую антенну, с диаграммой направленности, круговой и симметричной относительно оси вращения приемных антенн, излучающую зондирующие сигналы в направлении подповерхностного объекта, в качестве приемных антенн используют магнитные и электрические антенны, образующие ортогональный базис, при этом в георадар устанавливают не менее пяти приемных антенн, в том числе не менее двух электрических и не менее двух магнитных, в качестве зондирующих сигналов используют одинаковые повторяющиеся одиночные импульсные сверхширокополосные сигналы, измеряют высоты антенн над подстилающей поверхностью, выбирают на окружности вращения точки регистрации, в окрестностях каждой из них каждой приемной антенной георадара обнаруживают сигналы, отраженные от подповерхностного объекта, измеряют их временные и амплитудные параметры, вычисляют мгновенное значение вектора Пойнтинга и определяют положение отражающей точки подповерхностного объекта, по совокупности отражающих точек подповерхностного объекта, полученных от всех точек регистрации принимаемых сигналов, строят изображение подповерхностного объекта.To solve these problems according to claim 1 in a subsurface sensing method, the receiving georadar antennas are installed around a circle of radius R and rotate around its center, the probing signals reflected from the subsurface objects are received by the georadar receiving antennas, the current angular position is measured antennas, in the center of the circle of rotation of the receiving antennas, a stationary transmitting antenna is installed, with a radiation pattern circular, symmetrical with respect to the axis of rotation of the receiving x antennas emitting sounding signals in the direction of the subsurface object, magnetic and electric antennas forming an orthogonal basis are used as receiving antennas, while at least five receiving antennas, including at least two electric and at least two magnetic ones, are installed in the GPR As probing signals, use identical repeating single pulsed ultra-wideband signals, measure the heights of the antennas above the underlying surface, choose a register on the rotation circle In the vicinity of each of them, each receiving GPR antenna detects signals reflected from a subsurface object, measures their temporal and amplitude parameters, calculates the instantaneous value of the Poynting vector, and determines the position of the reflecting point of the subsurface object from the totality of the reflection points of the subsurface object obtained from all points registration of received signals, build an image of a subsurface object.

По п.2 формулы изобретения изменяют радиус окружности вращения приемных антенн, повторяют измерения, указанные в п.1, выбирают наиболее информативный радиус и строят изображение подповерхностного объекта по данным, полученным на этом радиусе.According to claim 2, the radius of the circumference of the rotation of the receiving antennas is changed, the measurements indicated in paragraph 1 are repeated, the most informative radius is selected and the image of the subsurface object is constructed from the data obtained on this radius.

По п.3 изменяют радиус окружности вращения приемных антенн, повторяют измерения, указанные в п.1, и строят изображение подповерхностного объекта по данным, полученным по всей совокупности радиусов.According to claim 3, the radius of the circumference of the rotation of the receiving antennas is changed, the measurements indicated in paragraph 1 are repeated, and the image of the subsurface object is constructed according to the data obtained over the entire set of radii.

Существенными отличиями заявляемого способа по п.1 формулы изобретения от прототипа являются:Significant differences of the proposed method according to claim 1 of the claims from the prototype are:

Устанавливают в центре окружности вращения приемных антенн неподвижную передающую антенну с диаграммой направленности, круговой и симметричной относительно оси вращения приемных антенн, излучающую зондирующие сигналы в направлении подповерхностного объекта. Такая антенна создает одинаковые зондирующие сигналы во всех направлениях, так что условия приема одинаковы для всех приемных антенн.A fixed transmitting antenna with a radiation pattern circular and symmetrical with respect to the axis of rotation of the receiving antennas emitting sounding signals in the direction of the subsurface object is installed in the center of the circle of rotation of the receiving antennas. Such an antenna creates the same sounding signals in all directions, so that the reception conditions are the same for all receiving antennas.

В прототипе, по крайней мере, одна из антенн, расположенных на окружности, является излучающей. Такой способ «подсвечивания» подповерхностного объекта асимметричен, что вызывает существенные проблемы при вычислении геометрии распространения сигналов. Более того, сохранение взаимной ориентации (поляризации) приемных антенн требует их вращения в направлении, противоположном вращению антенн по окружности, что является серьезной технической проблемой.In the prototype, at least one of the antennas located on the circle is emitting. This method of "highlighting" the subsurface object is asymmetric, which causes significant problems in calculating the propagation geometry of the signals. Moreover, maintaining the relative orientation (polarization) of the receiving antennas requires their rotation in the direction opposite to the rotation of the antennas around the circumference, which is a serious technical problem.

Использование в качестве приемных магнитных и электрических антенн, образующих ортогональный базис, позволяет каждой антенной принимать только одну из ортогональных составляющих электрического или магнитного поля, что позволяет решить задачу обнаружения направления на источник излучения.The use of magnetic and electric antennas forming an orthogonal basis as a receiver allows each antenna to receive only one of the orthogonal components of the electric or magnetic field, which makes it possible to solve the problem of detecting the direction to the radiation source.

Установка не менее пяти приемных антенн, в том числе не менее двух электрических и не менее двух магнитных, позволяет создать ортогональный базис из шести компонент электрического и магнитного полей (пять из которых - независимы, а шестая - однозначно определяется первыми пятью компонентами и условием ортогональности электрического и магнитного векторов электромагнитного поля излучения). Суммарные вектора напряженностей электрического и магнитного полей ортогональны, поэтому пяти компонент достаточно, чтобы вычислить недостающую.Installing at least five receiving antennas, including at least two electric and at least two magnetic ones, allows you to create an orthogonal basis of six components of the electric and magnetic fields (five of which are independent, and the sixth is uniquely determined by the first five components and the condition of orthogonality of the electric and magnetic vectors of the electromagnetic radiation field). The total vectors of electric and magnetic field intensities are orthogonal, therefore five components are enough to calculate the missing one.

В прототипе тип, количество и характеристики приемных антенн не оговариваются.In the prototype, the type, quantity and characteristics of the receiving antennas are not specified.

Использование в качестве зондирующих сигналов одинаковых повторяющихся одиночных импульсных СШП сигналов позволяет решать проблему обнаружения и оценки параметров отраженных сигналов во временной области, с учетом скорости распространения в воздухе и подповерхностной среде.The use of identical repeating single pulse UWB signals as probing signals makes it possible to solve the problem of detecting and estimating the parameters of the reflected signals in the time domain, taking into account the propagation velocity in air and the subsurface medium.

Измерение высоты антенн над подстилающей поверхностью позволяет оценить время распространения зондирующих сигналов в надповерхностном пространстве.Measuring the height of the antennas above the underlying surface allows us to estimate the propagation time of the probing signals in the superficial space.

Выбор на окружности вращения точек регистрации позволяет выбрать желаемое разрешение, т.е. количество отражающих точек подповерхностного объекта, которые стремятся обнаружить.The selection on the circumference of rotation of the registration points allows you to select the desired resolution, i.e. the number of reflective points of a subsurface object that they seek to detect.

В окрестности каждой из точек регистрации каждой приемной антенной георадара обнаруживают сигналы, отраженные от подповерхностного объекта, измеряют их временные и амплитудные параметры, вычисляют мгновенное значение вектора Пойтинга и определяют положение отражающей точки подповерхностного объекта. Описанные действия позволяют обнаружить множество отражающих точек подповерхностного объекта в соответствии с количеством точек регистрации.In the vicinity of each of the registration points of each receiving georadar antenna, signals reflected from the subsurface object are detected, their temporal and amplitude parameters are measured, the instantaneous value of the Poiting vector is calculated, and the position of the reflecting point of the subsurface object is determined. The described actions allow you to detect many reflecting points of a subsurface object in accordance with the number of registration points.

Строят изображение подповерхностного объекта по обнаруженному множеству отражающих точек подповерхностного объекта.An image of a subsurface object is constructed from the detected set of reflecting points of the subsurface object.

В прототипе вопросы формирования зондирующих сигналов и их обработке не рассматриваются.In the prototype, the formation of sounding signals and their processing are not considered.

Существенными отличиями заявляемого способа по п.2 формулы изобретения от прототипа является то, что изменяют радиус окружности вращения, повторяют измерения, выбирают наиболее информативный радиус и строят изображение подповерхностного объекта по данным, полученным на этом радиусе. Такое решение позволяет подобрать диаметр окружности вращения антенн так, чтобы, например, отклики от подповерхностного объекта были наибольшими по амплитуде или хорошо складывались в изображение подповерхностного объекта в виде совокупности точек, расположенных по его периметру, и при этом не накладывались бы друг на друга.Significant differences of the proposed method according to claim 2 from the prototype is that they change the radius of the circle of rotation, repeat the measurements, select the most informative radius and build an image of the subsurface object according to the data obtained on this radius. This solution allows you to choose the diameter of the circle of rotation of the antennas so that, for example, the responses from the subsurface object are the largest in amplitude or fit well into the image of the subsurface object in the form of a set of points located along its perimeter, and would not overlap each other.

Существенными отличиями заявляемого способа по п.3 формулы изобретения от прототипа является то, что изменяют радиус окружности вращения, повторяют измерения и строят изображение подповерхностного объекта по данным, полученным по всей совокупности радиусов вращения. Такой подход позволяет использовать всю совокупность точек, обнаруженных в результате зондирования для построения более подробного изображения объекта.Significant differences of the proposed method according to claim 3 of the claims from the prototype is that they change the radius of the circle of rotation, repeat the measurements and build an image of the subsurface object according to the data obtained over the entire set of radii of rotation. This approach allows you to use the entire set of points detected by sounding to build a more detailed image of the object.

Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы:The inventive method is illustrated by the following graphic materials:

Фиг.1 - схема антенного блока георадара, где:Figure 1 - diagram of the antenna unit of the georadar, where:

1 - передающая антенна;1 - transmitting antenna;

2 - вращающаяся несущая платформа;2 - rotating carrier platform;

3 - штанги;3 - rods;

4 - ортогональные приемные элементы магнитной компоненты поля;4 - orthogonal receiving elements of the magnetic field component;

5 - ортогональные приемные элементы электрической компоненты поля;5 - orthogonal receiving elements of the electric field component;

6 - приемники;6 - receivers;

7 - траектории перемещения приемных элементов при различной длине штанг.7 - trajectories of movement of the receiving elements with different lengths of rods.

Фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ, где:Figure 2 is a structural diagram of a device that implements the inventive method, where:

8 - компьютерный блок;8 - computer unit;

9 - генератор СШП сигналов;9 - UWB signal generator;

10 - дисплей;10 - display;

11 - измеритель текущего углового положения антенн;11 - a meter of the current angular position of the antennas;

12 - измеритель высоты антенного блока над подстилающей поверхностью.12 - meter height of the antenna unit above the underlying surface.

Фиг.3 - схема измерений, где:Figure 3 - measurement scheme, where:

13 - подповерхностный объект13 - subsurface object

14 - точки регистрации;14 - registration points;

15 - отражающие точки подповерхностного объекта;15 - reflecting points of a subsurface object;

16 - граница раздела сред;16 - media interface;

17 - отражающие точки подповерхностного объекта.17 - reflecting points of a subsurface object.

Рассмотрим техническую реализацию заявляемого антенного блока при условии, что он содержит 3 ортогональных магнитных и 3 ортогональных электрических антенны, фиг.1.Consider the technical implementation of the inventive antenna unit, provided that it contains 3 orthogonal magnetic and 3 orthogonal electric antennas, figure 1.

Передающая антенна 1 предназначена для излучения зондирующих СШП сигналов. Диаграмма ее направленности круговая и симметрична относительно оси антенны. Антенна 1 может быть выполнена в виде рупорной конусной антенны с центральным проводником или без него.The transmitting antenna 1 is intended for the emission of sounding UWB signals. Its directivity diagram is circular and symmetrical about the axis of the antenna. Antenna 1 can be made in the form of a horn cone antenna with or without a central conductor.

Вращающаяся несущая платформа 2 предназначена для крепления радиальных штанг 3, имеющих одинаковую длину. На концах штанг 3 установлены приемные магнитные 4 или электрические 5 антенны. Платформа имеет возможность вращаться вокруг центра, при этом указанные антенны перемещаются по окружности 7 радиуса R. По п.2 и 3 формулы изобретения штанги 3 являются телескопическими и могут синхронно изменять свою длину, делая радиус R окружности 7 переменным. Способ изменения длины штанг может быть различным - гидравлическим, электромеханическим и т.п.The rotating carrier platform 2 is designed for fastening radial rods 3 having the same length. At the ends of the rods 3, receiving magnetic 4 or electric 5 antennas are installed. The platform has the ability to rotate around the center, while these antennas move around a circle 7 of radius R. According to claim 2 and 3 of the claims, the rods 3 are telescopic and can synchronously change their length, making the radius R of the circle 7 variable. The method for changing the length of the rods can be different - hydraulic, electromechanical, etc.

Магнитные антенны 4 предназначены для приема ортогональных компонент магнитного поля сигналов, отраженных от подповерхностного объекта, и могут быть выполнены в виде взаимно ортогональных петель.Magnetic antennas 4 are designed to receive the orthogonal components of the magnetic field of the signals reflected from the subsurface object, and can be made in the form of mutually orthogonal loops.

Электрические антенны 5 предназначены для приема ортогональных компонент электрического поля сигналов, отраженных от подповерхностного объекта, и могут быть выполнены в виде взаимно ортогональных вибраторов.Electrical antennas 5 are designed to receive the orthogonal components of the electric field of the signals reflected from the subsurface object, and can be made in the form of mutually orthogonal vibrators.

Приемники 6 обеспечивают прием, усиление и аналого-цифровое преобразование сигналов, отраженных от подповерхностного объекта.The receivers 6 provide reception, amplification and analog-to-digital conversion of signals reflected from a subsurface object.

Компьютерный блок 8 предназначен для управления работой всех частей георадара, приема, обработки и отображения результатов зондирования и снабжен соответствующими интерфейсами.Computer unit 8 is designed to control the operation of all parts of the GPR, receive, process and display the results of sounding and is equipped with appropriate interfaces.

Генератор 9 предназначен для формирования СШП сигналов по команде от компьютерного блока 8.The generator 9 is designed to generate UWB signals upon command from the computer unit 8.

Дисплей 10 предназначен для отображения результатов измерений.Display 10 is intended to display the measurement results.

Измеритель текущего углового положения антенн 11 предназначен для определения текущего углового положения антенн 5 и 6.The meter of the current angular position of the antennas 11 is designed to determine the current angular position of the antennas 5 and 6.

Измеритель высоты антенного блока над подстилающей поверхностью 12 предназначен для оценки указанной высоты с целью определения глубины залегания подповерхностного объекта. Измеритель 12 может быть реализован как в виде отдельного радиолокационного модуля, так и в виде блока обработки, использующего сигналы, отраженные от поверхности и принятые антеннами 4 и 5.The height meter of the antenna unit above the underlying surface 12 is designed to assess the specified height in order to determine the depth of the subsurface object. The meter 12 can be implemented as a separate radar module, or in the form of a processing unit using signals reflected from the surface and received by antennas 4 and 5.

Рассмотрим работу устройства, фиг.2, реализующего заявляемый способ по п.1 формулы изобретения, считая подповерхностный объект полусферой 13, фиг.3.Consider the operation of the device, figure 2, implementing the inventive method according to claim 1 of the claims, considering the subsurface object hemisphere 13, figure 3.

Три ортогональных электрических 5 и три ортогональных магнитных 4 антенны устанавливают на концах штанг 3, закрепленных на вращающейся несущей платформе 2, так, что все антенны находятся на расстоянии R (например, 0,25 м) от центра вращения, фиг.1. Приемные антенны 4 и 5 располагают по окружности вращения равномерно так, чтобы механический дисбаланс был минимальным. Скорость вращения антенн 4 и 5 выбирают относительно невысокой, например, 1 оборот в секунду. В центре платформы 2 устанавливают излучающую антенну 1. Непрерывно измеряют текущее угловое положение антенн 4 и 5 и их высоту над подстилающей поверхностью 16.Three orthogonal electric 5 and three orthogonal magnetic 4 antennas are mounted on the ends of the rods 3, mounted on a rotating carrier platform 2, so that all antennas are at a distance R (for example, 0.25 m) from the center of rotation, figure 1. The receiving antennas 4 and 5 are arranged uniformly around the circumference of rotation so that the mechanical imbalance is minimal. The rotation speed of the antennas 4 and 5 is chosen relatively low, for example, 1 revolution per second. In the center of the platform 2, a radiating antenna 1 is installed. The current angular position of the antennas 4 and 5 and their height above the underlying surface 16 are continuously measured.

По периодическому запускающему сигналу от компьютерного блока 8 излучают антенной 1 импульсные СШП зондирующие сигналы. Частота зондирования выбирается так, чтобы, во-первых, до прихода следующего зондирующего импульса успеть принять антеннами 4 и 5 и обработать в компьютерном блоке 8 сигналы, отраженные от подповерхностного объекта, во-вторых, чтобы за время зондирования антенны 4 и 5 переместились на незначительное расстояние r. Например, при реализации стробоскопического способа зондирования при количестве точек, равном 512, и частоте повторения зондирующих импульсов 1 МГц величина r=0,8·10-3 м, что вполне приемлемо при линейных размерах антенн 4 и 5 порядка 1 см.On a periodic trigger signal from the computer unit 8 emit an antenna 1 pulse UWB probing signals. The sounding frequency is selected so that, firstly, before the arrival of the next sounding pulse, it is time to receive the antennas 4 and 5 and process signals reflected from the subsurface object in the computer unit 8, and secondly, so that the antennas 4 and 5 move to an insignificant time distance r. For example, when implementing the stroboscopic sensing method with a number of points equal to 512 and a pulse repetition rate of 1 MHz, the value r = 0.8 · 10 -3 m, which is quite acceptable with linear sizes of antennas 4 and 5 of the order of 1 cm.

Выбирают на окружности вращения 7 точку регистрации 14, фиг.3. В моменты прохождения точки регистрации 14 приемными антеннами 4 и 5 принимают и компьютерным блоком 8 обнаруживают по превышению заранее установленного порога сигналы, отраженные от подповерхностного объекта 13. В момент обнаружения отраженного сигнала измеряют мгновенные амплитуды компонент векторов электрического Ex, Ey, Ez и магнитного Hx, Ну, Hz полей, поступившие на соответствующие приемные антенны 4 и 5, а также время прихода отраженных сигналов по отношению к зондирующему, и строят векторы электрического и магнитного полей:

Figure 00000001
и
Figure 00000002
. Заметим, что вектора
Figure 00000003
и
Figure 00000004
теоретически ортогональны. Для каждой точки регистрации вычисляют мгновенное значение вектора Пойнтинга в виде векторного произведения
Figure 00000005
=
Figure 00000003
×
Figure 00000004
, фиг.3, при этом обращенные мгновенные векторы Пойнтинга
Figure 00000006
направлены на источник отраженного излучения. По известной высоте антенн над подстилающей поверхностью и времени распространения зондирующего сигнала компьютерном блоке 8 рассчитывают (или оценивают) пространственное положение точки отражения 15. В известном [3] способе такая информация считается достаточной, чтобы построить изображение подповерхностного объекта.On the circumference of rotation 7, a registration point 14 is selected, FIG. 3. At the moments when the registration point 14 passes, the receiving antennas 4 and 5 receive and, by exceeding a predetermined threshold, the signals reflected from the subsurface object 13 are detected by the computer unit 8. At the moment of detection of the reflected signal, the instantaneous amplitudes of the components of the electric vectors E x , E y , E z and magnetic H x , H y , H z fields received at the corresponding receiving antennas 4 and 5, as well as the arrival time of the reflected signals with respect to the probing ones, and the electric and magnetic field vectors are constructed:
Figure 00000001
and
Figure 00000002
. Note that the vectors
Figure 00000003
and
Figure 00000004
theoretically orthogonal. For each registration point, the instantaneous value of the Poynting vector is calculated as a vector product
Figure 00000005
=
Figure 00000003
×
Figure 00000004
, figure 3, while the inverted instantaneous Poynting vectors
Figure 00000006
aimed at the source of reflected radiation. Using the known height of the antennas above the underlying surface and the propagation time of the probe signal, the computer unit 8 calculates (or estimates) the spatial position of the reflection point 15. In the known [3] method, such information is considered sufficient to construct an image of a subsurface object.

Если выбрать несколько точек регистрации 14 на окружности вращения 7, то найденная совокупность точек отражения подповерхностного объекта 15, 151… позволит построить некоторый срез подповерхностного объекта 13. Отметим, что не для всех точек регистрации 14 удается найти положение точек отражения 15 из-за влияния мешающих отражений от других объектов, взаимовлияния элементов антенной решетки, свойств подповерхностной среды и других факторов. Вычисленное в компьютерном блоке 8 положение точек отражения 15 отображается на дисплее 10.If you select several registration points 14 on the circumference of rotation 7, then the found set of reflection points of the subsurface object 15, 15 1 ... will allow you to build some slice of the subsurface object 13. Note that not for all registration points 14 it is possible to find the position of the reflection points 15 due to the influence interfering reflections from other objects, the mutual influence of the elements of the antenna array, the properties of the subsurface medium and other factors. The position of the reflection points 15 calculated in the computer unit 8 is displayed on the display 10.

По п.2 формулы изобретения изменяют радиус окружности вращения 7, например на 71 используя телескопические штанги, и повторяют описанные действия. В результате действия указанных выше мешающих факторов, геометрических свойств подповерхностного объекта и других причин одна из окружностей вращения 7 может оказаться наиболее информативной, а результаты построения изображения - более наглядными, т.е. произойдет некоторая «фокусировка» изображения.According to claim 2, the radius of the circumference of rotation 7 is changed, for example, by 7 1 using telescopic rods, and the described operations are repeated. As a result of the above-mentioned interfering factors, the geometrical properties of the subsurface object, and other reasons, one of the circles of rotation 7 may turn out to be the most informative, and the results of image construction more visual, i.e. some “focusing” of the image will occur.

По п.3 формулы изобретения строится пространственное изображение объекта по результатам зондирования с разными радиусами окружности вращения.According to claim 3 of the claims, a spatial image of the object is constructed according to the results of sounding with different radii of rotation.

Таким образом, заявляемый способ может быть реализован и обеспечивает получение изображения подповерхностного объекта.Thus, the inventive method can be implemented and provides an image of a subsurface object.

Источники информации:Information sources:

1. Патент WO 0022455.1. Patent WO 0022455.

2. Патент US 2003132873.2. Patent US 2003132873.

3. Патент US 2002105469.3. Patent US 2002105469.

Claims (3)

1. Способ подповерхностного зондирования, заключающийся в том, что приемные антенны георадара устанавливают по окружности радиуса R и вращают вокруг ее центра, принимают приемными антеннами георадара зондирующие сигналы, отраженные от подповерхностных объектов, измеряют текущее угловое положение антенн, отличающийся тем, что в центре окружности вращения приемных антенн устанавливают неподвижную передающую антенну, с диаграммой направленности, круговой и симметричной относительно оси вращения приемных антенн, излучающую зондирующие сигналы в направлении подповерхностного объекта, в качестве приемных антенн используют магнитные и электрические антенны, образующие ортогональный базис, при этом в георадар устанавливают не менее пяти приемных антенн, в том числе не менее двух электрических и не менее двух магнитных, в качестве зондирующих сигналов используют одинаковые повторяющиеся одиночные импульсные сверхширокополосные сигналы, измеряют высоты антенн над подстилающей поверхностью, выбирают на окружности вращения точки регистрации, в окрестностях каждой из них каждой приемной антенной георадара обнаруживают сигналы, отраженные от подповерхностного объекта, измеряют их временные и амплитудные параметры, вычисляют мгновенное значение вектора Пойнтинга и определяют положение отражающей точки подповерхностного объекта, по совокупности отражающих точек подповерхностного объекта, полученных от всех точек регистрации принимаемых сигналов, строят изображение подповерхностного объекта.1. The method of subsurface sounding, namely, that the receiving antennas of the georadar are installed around a circle of radius R and rotate around its center, the receiving antennas of the georadar sensing signals reflected from subsurface objects measure the current angular position of the antennas, characterized in that in the center of the circle rotation of the receiving antennas establish a stationary transmitting antenna with a radiation pattern circular and symmetrical with respect to the axis of rotation of the receiving antennas emitting probing the needles in the direction of the subsurface object, the receiving antennas use magnetic and electric antennas forming an orthogonal basis, while at least five receiving antennas are installed in the georadar, including at least two electric and at least two magnetic ones, using the same probing signals repeating single pulsed ultra-wideband signals, measure the heights of the antennas above the underlying surface, select the registration points on the circumference of rotation, in the vicinity of each of them each receiving GPR antenna detects signals reflected from the subsurface object, measures their temporal and amplitude parameters, calculates the instantaneous value of the Poynting vector and determines the position of the reflecting points of the subsurface object, from the totality of the reflection points of the subsurface object received from all the registration points of the received signals, construct an image of the subsurface object. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют радиус окружности вращения приемных антенн, повторяют измерения, выбирают наиболее информативный радиус и строят изображение подповерхностного объекта по данным, полученным на этом радиусе.2. The method according to claim 1, characterized in that the radius of the circumference of the rotation of the receiving antennas is changed, the measurements are repeated, the most informative radius is selected and the image of the subsurface object is constructed from the data obtained on this radius. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют радиус окружности вращения приемных антенн, повторяют измерения и строят изображение подповерхностного объекта по данным, полученным по всей совокупности радиусов. 3. The method according to claim 1, characterized in that the radius of the circumference of the rotation of the receiving antennas is changed, the measurements are repeated and an image of the subsurface object is constructed according to the data obtained over the entire set of radii.
RU2009111748/09A 2009-03-30 2009-03-30 Method of subsurface sounding RU2393501C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009111748/09A RU2393501C1 (en) 2009-03-30 2009-03-30 Method of subsurface sounding

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009111748/09A RU2393501C1 (en) 2009-03-30 2009-03-30 Method of subsurface sounding

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2393501C1 true RU2393501C1 (en) 2010-06-27

Family

ID=42683774

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009111748/09A RU2393501C1 (en) 2009-03-30 2009-03-30 Method of subsurface sounding

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2393501C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106872801A (en) * 2017-04-02 2017-06-20 深圳市通用测试系统有限公司 A kind of near field test system
RU2640291C1 (en) * 2016-09-30 2017-12-27 Андрей Ильич Беркут Device for radar sensing substrate surface
RU2735312C1 (en) * 2019-09-30 2020-10-29 Александр Николаевич Дубовицкий Method for measuring parameters of pavement layers
RU2811040C1 (en) * 2023-03-10 2024-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "ИнТерраСкан" (ООО "ИТС") Method for probing sub-surface space using wave signals (options)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2640291C1 (en) * 2016-09-30 2017-12-27 Андрей Ильич Беркут Device for radar sensing substrate surface
CN106872801A (en) * 2017-04-02 2017-06-20 深圳市通用测试系统有限公司 A kind of near field test system
CN106872801B (en) * 2017-04-02 2024-04-30 深圳市通用测试系统有限公司 Near field test system
RU2735312C1 (en) * 2019-09-30 2020-10-29 Александр Николаевич Дубовицкий Method for measuring parameters of pavement layers
RU2811040C1 (en) * 2023-03-10 2024-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "ИнТерраСкан" (ООО "ИТС") Method for probing sub-surface space using wave signals (options)
RU227004U1 (en) * 2024-04-03 2024-07-01 Дмитрий Сергеевич Горкин Three-antenna georadar for detecting low-contrast objects

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6734847B2 (en) Radar sensor, radar sensor system, and method for locating an object using horizontal and vertical digital beamforming for measuring point-reflecting and surface-reflecting objects
EP3021136B1 (en) Weather information processing device, weather radar system, and weather information processing method
CN103018738B (en) Microwave three-dimensional imaging method based on rotary antenna array
KR20210004964A (en) Wireless or sonic wave detectors, transmitters, receivers and methods therefor
KR101588215B1 (en) System for exploring underground properties and method for analyzing underground properties using thereof
RU2440588C1 (en) Passive radio monitoring method of air objects
EP3365695A1 (en) Mimo radar system and calibration method thereof
RU2393501C1 (en) Method of subsurface sounding
Zhuge et al. UWB array-based radar imaging using modified Kirchhoff migration
JP2012068222A (en) Radar cross section (rcs) measurement system
RU2326393C2 (en) Method of determination of position of antenna phase centre
RU105466U1 (en) AUTOMATED COMPLEX FOR MEASUREMENTS OF RADIOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF Aperture Antennas
RU2571957C1 (en) Method for experimental verification of information and identification capabilities of doppler portraits of aerial objects
RU2602274C1 (en) Radar method and device for remote measurement of full velocity vector of meteorological object
RU2556708C1 (en) Approach radar
Lei A time-domain beamformer for UWB through-wall imaging
RU2516221C2 (en) Method of measuring scattering cross-section of objects and multiposition radar measurement system for realising said method
Hirsch et al. Indirect localization and imaging of objects in an UWB sensor network
JP2007163271A (en) Underground radar image processing method
JP2018072171A (en) Signal processing device, radar apparatus, and signal processing method
RU2522853C1 (en) Method and apparatus for detecting and identifying objects hidden under clothes on human body
RU2401439C2 (en) Method of constructing image of subsurface object
RU2127437C1 (en) Method of radar fixing of coordinates of targets
EA035399B1 (en) Method and system for radar surveillance of targets in various propagation media - air, water, terrestrial
Ji et al. A small array HFSWR system for ship surveillance

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110331

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20120720

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140331