RU2451954C1 - Mobile georadar for remote search of location of underground communication main lines and determination of cross dimensions and depth thereof - Google Patents

Mobile georadar for remote search of location of underground communication main lines and determination of cross dimensions and depth thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2451954C1
RU2451954C1 RU2011104471/28A RU2011104471A RU2451954C1 RU 2451954 C1 RU2451954 C1 RU 2451954C1 RU 2011104471/28 A RU2011104471/28 A RU 2011104471/28A RU 2011104471 A RU2011104471 A RU 2011104471A RU 2451954 C1 RU2451954 C1 RU 2451954C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
aircraft
output
receiver
depth
Prior art date
Application number
RU2011104471/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Иванович Дикарев (RU)
Виктор Иванович Дикарев
Валерий Антонович Шубарев (RU)
Валерий Антонович Шубарев
Николай Николаевич Иванов (RU)
Николай Николаевич Иванов
Владимир Анатольевич Калинин (RU)
Владимир Анатольевич Калинин
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Авангард"
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 "Авангард" filed Critical Открытое акционерное общество "Авангард"
Priority to RU2011104471/28A priority Critical patent/RU2451954C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2451954C1 publication Critical patent/RU2451954C1/en

Links

Images

Landscapes

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

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to radar techniques and apparatus for detecting subsurface objects, which enable to search the route of underground pipelines, determine their cross dimensions and their depth in the ground, and also detect points of leakage of oil and gas from underground pipelines. The mobile georadar has an aircraft 1, a transmitting 2 and a receiving 3 antenna, a clock, an antenna control unit, a high-frequency pulse generator, a receiver, a multitapped delay line, an adder, a processor with software and a monitor.
EFFECT: high azimuthal resolution by synthesising the aperture of the receiving antenna.
4 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к радиолокационным методам и средствам неразрушающего контроля, позволяющим дистанционно, например с летательного аппарата, осуществлять поиск траектории прокладки трасс действующих магистральных подземных трубопроводящих коммуникаций (нефтегазопроводы, газопроводы, оптоволоконные и металлические кабели) из металлических и неметаллических материалов, определять их поперечный размер и глубину залегания трасс в грунте, а также обнаруживать местоположение утечек нефти и газа из магистральных подземных трубопроводов.The proposed device relates to the field of instrumentation, in particular to radar methods and non-destructive testing, allowing remotely, for example from an aircraft, to search for the trajectory of laying the routes of the main trunk underground pipelines (oil and gas pipelines, gas pipelines, fiber optic and metal cables) made of metal and non-metallic materials, determine their transverse size and depth of occurrence of tracks in the ground, and also detect m stopolozhenie oil and gas leaks from the main underground pipeline.

Известны мобильные георадары для дистанционного определения траектории прокладки трассы нефтегазопровода и глубины его залегания в грунте (авт. свид. СССР №№1.287.680, 1.810.859; патенты РФ №№2.046.378, 2.119.680, 2.202.812, 2.206.106, 2.207.588, 2.256.941; патенты США №№4.905.008, 6.087.883, 6.252.588; патент WO №01/38.902 Дикарев В.И. и др. Вода, нефть, газ и трубы в нашей жизни. СПб, 2005 и другие).Known mobile georadars for remote determination of the trajectory of laying an oil and gas pipeline route and its depth in the ground (ed. Certificate of the USSR No. 1.287.680, 1.810.859; RF patents No. 2.046.378, 2.119.680, 2.202.812, 2.206. 106, 2.207.588, 2.256.941; US patents Nos. 4,905.008, 6.087.883, 6.252.588; patent WO No. 01 / 38.902 V. Dikarev et al. Water, oil, gas and pipes in our lives St. Petersburg, 2005 and others).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Мобильный георадар для дистанционного поиска местоположения подземных магистральных коммуникаций и определения их поперечного размера и глубины залегания в грунте» (патент РФ №2.256.941, G01V 3/17, 2004), который и выбран в качестве прототипа.Of the known devices, the closest to the proposed one is "Mobile georadar for remote search for the location of underground trunk communications and determine their transverse size and depth in the ground" (RF patent No. 2.256.941, G01V 3/17, 2004), which is chosen as prototype.

При этом антенны георадара выполнены в виде коллимирующих решеток, шарнирно закрепленных снаружи, например на днище фюзеляжа летательного аппарата с возможностью синхронного качания каждой антенны в плоскости поперечного сечения фюзеляжа на угол 1-5°. Антенны сфокусированы в сторону поверхности земли. Длительность зондирующих электромагнитных импульсов фиксирована в пределах диапазона 10-0,2 нс.In this case, the georadar antennas are made in the form of collimating arrays pivotally mounted externally, for example, on the bottom of the aircraft fuselage with the possibility of synchronous swinging of each antenna in the plane of the fuselage cross section at an angle of 1-5 °. Antennas are focused towards the surface of the earth. The duration of the probe electromagnetic pulses is fixed within the range of 10-0.2 ns.

Однако известный мобильный георадар обладает сравнительно низкой разрешающей способностью по азимуту.However, the known mobile georadar has a relatively low resolution in azimuth.

Технической задачей изобретения является повышение разрешающей способности по азимуту путем синтезирования апертуры принимающей антенны.An object of the invention is to increase the resolution in azimuth by synthesizing the aperture of the receiving antenna.

Поставленная задача решается тем, что мобильный георадар для дистанционного поиска местоположения подземных магистральных коммуникаций и определения их поперечного размера и глубины залегания в грунте, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, летательный аппарат, последовательно включенные высокочастотный генератор импульсов и передающую антенну высокочастотных электромагнитных импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления антеннами, последовательно включенные принимающую антенну высокочастотных электромагнитных импульсов, второй вход которой соединен со вторым выходом блока управления антеннами, и приемник, последовательно включенные процессор с программным обеспечением и монитор, при этом антенны выполнены в виде коллимирующих решеток, шарнирно закрепленных снаружи на днище фюзеляжа летательного аппарата с возможностью синхронного качания каждой антенны в плоскости поперечного сечения фюзеляжа на угол 1-5° относительно вертикали и независимо от крена летательного аппарата и сфокусированных в сторону поверхности земли, длительность зондирующих электромагнитных импульсов фиксирована и назначается в пределах диапазона 10-0,2 нс, а данные зависимости контрастности от электрофизических свойств фракций грунтов и материалов трубопроводных коммуникаций введены в программное обеспечение процессора, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен синхронизатором, многоотводной линией задержки и сумматором, обеспечивающими синтезирование апертуры принимающей антенны, причем входы управления блока управления антеннами, высокочастотного генератора импульсов и приемника соединены с соответствующими выходами синхронизатора, к выходу приемника последовательно подключены многоотводная линия задержки и сумматор, вход управления которого соединен с выходом приемника, а выход подключен к входу процессора с программным обеспечением, вход управления которого соединен с четвертым выходом синхронизатора.The problem is solved in that a mobile georadar for remote search for the location of underground trunk lines and determining their transverse size and depth in the ground, containing, in accordance with the closest analogue, an aircraft, a high-frequency pulse generator and a transmitting antenna of high-frequency electromagnetic pulses sequentially connected, the second the input of which is connected to the first output of the antenna control unit, the high frequency receiving antenna connected in series of electromagnetic pulses, the second input of which is connected to the second output of the antenna control unit, and the receiver, a processor with software and a monitor connected in series, while the antennas are made in the form of collimating gratings pivotally mounted outside on the bottom of the fuselage of the aircraft with the possibility of synchronous swinging of each antenna in the plane of the cross section of the fuselage at an angle of 1-5 ° relative to the vertical and regardless of the roll of the aircraft and focused on the surface of the earth whether, the duration of the probe electromagnetic pulses is fixed and assigned within the range of 10-0.2 ns, and the data of the dependence of contrast on the electrophysical properties of fractions of soils and materials of pipeline communications are entered into the processor software, differs from the closest analogue in that it is equipped with a synchronizer, multi-tap a delay line and an adder providing synthesis of the aperture of the receiving antenna, and the control inputs of the antenna control unit, a high-frequency generator pulses and the receiver are connected to the corresponding outputs of the synchronizer, a multi-tap delay line and an adder are connected to the output of the receiver, the control input of which is connected to the output of the receiver, and the output is connected to the input of the processor with software, the control input of which is connected to the fourth output of the synchronizer.

Топографо-геодезический фрагмент взаимного расположения мобильного георадара и подземной трассы магистрали показан на фиг.1. Структурная схема оборудования, размещенного на борту летательного аппарата, представлена на фиг.2. Принцип формирования синтезированной апертуры принимающей антенны 3 показан на фиг.3. Геометрическая схема бокового обзора РЛС с синтезированной апертурой изображена на фиг.4.Topographic and geodetic fragment of the relative position of the mobile GPR and the underground highway route is shown in figure 1. The structural diagram of the equipment placed on board the aircraft is presented in figure 2. The principle of the formation of the synthesized aperture of the receiving antenna 3 is shown in Fig.3. The geometric side view of the synthetic aperture radar is shown in Fig.4.

Мобильный георадар содержит летательный аппарат 1, передающую 2 и принимающую 3 антенны высокочастотных электромагнитных импульсов (фиг.1).Mobile georadar contains an aircraft 1, transmitting 2 and receiving 3 antennas of high-frequency electromagnetic pulses (figure 1).

Оборудование, размещенное на борту летательного аппарата 1, содержит последовательно включенные синхронизатор 4, высокочастотный генератор 6 импульсов и передающую антенну 2, вход управления которого соединен с первым выходом блока 5 управления антеннами, последовательно включенные принимающую антенну 3, вход управления которого соединен со вторым выходом блока 5 управления антеннами, вход управления которого соединен с третьим выходом синхронизатора 4, многоотводная линия 8.i задержки (i=1, …, n), сумматор 9, вход управления которого соединен с выходом приемника, процессор 10 с программным обеспечением, вход управления которого соединен с четвертным выходом синхронизатора 4, и монитор 11 (фиг.2).The equipment located on board the aircraft 1 contains a synchronizer 4 connected in series, a high-frequency pulse generator 6 and a transmitting antenna 2, the control input of which is connected to the first output of the antenna control unit 5, serially connected to the receiving antenna 3, the control input of which is connected to the second output of the block 5 antenna control, the control input of which is connected to the third output of the synchronizer 4, multi-tap delay line 8.i (i = 1, ..., n), an adder 9, the control input of which is connected output from the receiver, the processor 10 with the software, which control input is connected to the output of the synchronizer with quarter 4 and the monitor 11 (Figure 2).

Антенны 2 и 3 выполнены в виде коллимирующих решеток, шарнирно закрепленных снаружи на днище фюзеляжа летательного аппарата с возможностью синхронного качания каждой антенны 2, 3 в плоскости поперечного сечения фюзеляжа на угол 1…5° относительно вертикали и независимо от крена летательного аппарата и сфокусированных в сторону поверхности земли. Коллимирование антенных решеток позволяет сформировать необходимую апертуру излучаемого и отраженного электромагнитного пучка.Antennas 2 and 3 are made in the form of collimating arrays pivotally mounted outside on the bottom of the fuselage of the aircraft with the ability to synchronously swing each antenna 2, 3 in the plane of the cross section of the fuselage at an angle of 1 ... 5 ° relative to the vertical and regardless of the roll of the aircraft and focused to the side the surface of the earth. Collimation of antenna arrays allows you to form the necessary aperture of the radiated and reflected electromagnetic beam.

Длительность зондирующих электромагнитных импульсов фиксирована, величина которой назначается в пределах диапазона 10…0,2 нс и выбирается в зависимости от реальной геологии и типа фракций насыпного грунта, материала трубопровода и базы данных зависимости контрастности от электрофизических свойств фракций насыпного грунта, внесенной в память процессора. Максимальное количество точек в каждой реализации - 2048, минимальное время между выборками - 2,5 нс, максимальное - 1 нс.The duration of the probe electromagnetic pulses is fixed, the value of which is assigned within the range of 10 ... 0.2 ns and is selected depending on the actual geology and type of bulk soil fractions, pipeline material and the database of the dependence of contrast on the electrophysical properties of bulk soil fractions recorded in the processor memory. The maximum number of points in each implementation is 2048, the minimum time between samples is 2.5 ns, and the maximum is 1 ns.

Необходимо отметить, что фракции засыпных грунтов в канал, по которому проложена трасса, как правило, малогабаритные (песок, торф, легкие суглинки, супеси) по сравнению с поперечными размерами протяженных трубопроводов, а крупные фракции типа камней, булыжников при засыпке канала не используют.It should be noted that fractions of backfill soils into the channel along which the route is laid, as a rule, are small-sized (sand, peat, light loam, sandy loam) compared with the transverse dimensions of extended pipelines, and large fractions such as stones and cobblestones are not used when filling the channel.

Высокочастотный генератор 6 предназначен для излучения коротких высокочастотных импульсов в грунт земли через воздушное пространство посредством передающей антенны 2. Отраженные высокочастотные импульсы от поверхности земли и границ раздела фракций и других предметов, находящихся в грунте, принимаются антенной 3.The high-frequency generator 6 is designed to emit short high-frequency pulses into the ground through the airspace through the transmitting antenna 2. The reflected high-frequency pulses from the ground and the interfaces between fractions and other objects in the ground are received by the antenna 3.

Георадар дает пространственную информацию о геологических характеристиках просвечиваемой среды, в частности о наличии в грунте различных фракций, отличающихся друг от друга физико-электрическими свойствами, геометрической формой, глубиной залегания от поверхности грунта, о виде и состоянии грунтов в разрезе, что отражается на параметрах электромагнитных импульсов (скорости V распространения радиоволн в грунте и коэффициенте α поглощения).Georadar provides spatial information about the geological characteristics of the translucent medium, in particular, the presence of various fractions in the soil that differ in physical and electrical properties, geometric shape, depth from the surface of the soil, and the type and condition of soils in the section, which affects the electromagnetic parameters pulses (propagation velocity V of the radio waves in the ground and absorption coefficient α).

Используемый в георадаре радиолокационный метод контроля основан на изучении параметров излучаемых и отраженных коротких высокочастотных импульсов, т.е. по времени t запаздывании между зондирующими и отраженными импульсами, скорости V распространения радиоволн в грунте [см/нс]:The radar control method used in GPR is based on the study of the parameters of the emitted and reflected short high-frequency pulses, i.e. in time t the delay between the probing and reflected pulses, the velocity V of the propagation of radio waves in the ground [cm / ns]:

V=С/εотн V = C / ε rel

и глубине залегания отражающего импульса:and the depth of the reflecting pulse:

h=(Vt)/2,h = (Vt) / 2,

где С - скорость света в вакууме, равная 30 см/нс;where C is the speed of light in vacuum, equal to 30 cm / ns;

εотн - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость, рассчитывается из выраженияε rel - the complex relative dielectric constant, calculated from the expression

εoтн0,ε rel = ε / ε 0 ,

где ε - диэлектрическая проницаемость исследуемой среды;where ε is the dielectric constant of the investigated medium;

ε0 - диэлектрическая проницаемость в вакууме.ε 0 - dielectric constant in vacuum.

При изучении характера распространения электромагнитных волн в грунте для случаев, когда длина волны существенно меньше глубины до отраженных границ раздела фракций в грунте, что характерно для практики, можно с известной степенью приближения физику взаимодействия электрического поля со средой моделировать на схеме конденсатора. Так как значение εотн зависит, в основном, от количественного содержания влаги и минерального состава грунта, то относительная диэлектрическая проницаемость εотн показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если вместо воздуха в него поместить данный грунт.When studying the nature of the propagation of electromagnetic waves in the soil for cases when the wavelength is substantially less than the depth to the reflected interfaces of fractions in the soil, which is typical for practice, it is possible to model the physics of the interaction of the electric field with the medium with a known degree of approximation on the capacitor diagram. Since the value of ε rel depends mainly on the quantitative moisture content and mineral composition of the soil, the relative permittivity ε rel shows how many times the capacitance of the capacitor increases if this soil is placed instead of air.

По степени поглощения электромагнитных волн грунты подразделяются на три группы:According to the degree of absorption of electromagnetic waves, soils are divided into three groups:

- слабо поглощающие - незаселенные грунты, стекло, пески, торф (α=0,3…7,0 дБ/м);- weakly absorbing - unpopulated soils, glass, sands, peat (α = 0.3 ... 7.0 dB / m);

- промежуточные - легкие суглинки, супеси (α=7,0…14 дБ/м);- intermediate - light loam, sandy loam (α = 7.0 ... 14 dB / m);

- сильно поглощающие - глины, тяжелые суглинки, металлы (α=14…26 и более дБ/м).- highly absorbing - clays, heavy loams, metals (α = 14 ... 26 and more dB / m).

Отсюда следует, что с увеличением ослабления электромагнитного сигнала в грунте глубина исследования радиолокационным методом неразрушающего контроля изменяется от 25…30 м для песчаных и до 3…8 м - для глинистых пород. Но и этого минимального предела глубины (глинистых пород) достаточно для достоверного контроля параметров трубопровода, так как глубина залегания трубопроводных коммуникаций в грунте на практике не превышает 1,5…2 м.It follows that with an increase in the attenuation of the electromagnetic signal in the soil, the depth of research by the non-destructive testing by the radar method varies from 25 ... 30 m for sand and up to 3 ... 8 m for clay rocks. But this minimum depth limit (clayey rocks) is enough for reliable control of the parameters of the pipeline, since the depth of the pipeline communications in the soil in practice does not exceed 1.5 ... 2 m.

Процессор георадара предназначен для обработки информационных параметров поступающих отраженных сигналов, их сопоставления с базой данных, введенных в программное обеспечение. Программное обеспечение состоит из двух частей: первичной (регистрация сигнала, его накопление и создание файлов) и вторичной обработки информации. Обеспечение вторичной обработки реализовано в виде пакета "Geo-data for Windows", предоставляющего оператору следующие возможности:The georadar processor is designed to process the information parameters of incoming reflected signals, comparing them with a database entered into the software. The software consists of two parts: primary (signal registration, its accumulation and creation of files) and secondary information processing. Providing secondary processing is implemented in the form of the package "Geo-data for Windows", which provides the operator with the following features:

- чтение данных, запоминание и индикацию в виде среза грунта или отдельных реализаций;- reading data, storing and indicating in the form of a cut of the soil or individual implementations;

- выбор цветной гаммы в изображении среза грунта;- selection of color gamut in the image of a slice of soil;

- фильтрацию данных фильтрами низких и высоких частот;- data filtering by low and high frequency filters;

- преобразование данных (масштабирование, интерполяция, децимация и вычитание), синтез апертуры, преобразование Гильберта;- data transformation (scaling, interpolation, decimation and subtraction), aperture synthesis, Hilbert transform;

- протоколирование преобразований за сеанс работы;- logging conversions per session;

- печать данных.- data printing.

Поскольку данные зависимости контрастности от электрофизических свойств применяемых для засыпки каналов под трубопровод грунтов занесены в память процессора, то при сопоставлении информационных данных с базой данных имеется возможность оператору улучшать качество изображения на экране монитора путем рационального выбора длительности электромагнитного сигнала, зондирующего грунт.Since the data of the dependence of contrast on the electrophysical properties used to fill the channels under the soil pipeline are stored in the processor memory, when comparing the information data with the database, it is possible for the operator to improve the image quality on the monitor screen by rational selection of the duration of the electromagnetic signal probing the soil.

Видеомонитор предназначен для визуального наблюдения за текущей информацией, исходящей из процессора.The video monitor is designed to visually monitor the current information coming from the processor.

В качестве летательного аппарата могут быть самолет, вертолет, дельтоплан, зонд и др.As an aircraft, there can be an airplane, a helicopter, a glider, a probe, etc.

Принцип работы РЛС с синтезированной апертурой можно пояснить следующим образом.The principle of operation of a synthetic aperture radar can be explained as follows.

Траекторию летательного аппарата (ЛА), будь то самолет, вертолет или ИСЗ, на коротких интервалах времени (порядка нескольких секунд) можно считать прямолинейной, а скорость движения по траектории - постоянной. Соответственно равномерно и прямолинейно движется бортовая принимающая антенна ЗЛА.The trajectory of an aircraft (aircraft), whether it be an airplane, a helicopter or an artificial satellite, can be considered straightforward at short time intervals (of the order of several seconds), and the speed along the trajectory can be considered constant. Accordingly, the on-board receiving antenna of the EVA moves uniformly and rectilinearly.

Диаграмма направленности антенной решетки (ДНА) формируется в результате когерентного сложения колебаний, принимаемых отдельными ее элементами. Так, если антенная система состоит из n рядом расположенных одинаковых антенн размером d (линейная решетка) и сигналы, принимаемые каждой антенной, когерентно суммируются, антенная решетка имеет такую же узкую диаграмму направленности, как и антенна размером D=dn (фиг.3).The directional pattern of the antenna array (BOTTOM) is formed as a result of coherent addition of oscillations received by its individual elements. So, if the antenna system consists of n adjacent identical antennas of size d (linear array) and the signals received by each antenna are coherently summed, the antenna array has the same narrow radiation pattern as an antenna of size D = dn (Fig. 3).

В РЛС синтезированной апертурой применяется небольшая приемная антенна 3, широкая диаграмма направленности (ДНА) которой направлена перпендикулярно траектории, т.е. осуществляет боковой обзор пространства. При полете самолета приемная антенна 3 последовательно занимает в пространстве различные положения 1, 2, 3 и т.д. (фиг, 4) на прямой линии (траектории полета ЛА), тем самым формируя искусственную (синтезированную) антенную решетку.The synthesized aperture in the radar uses a small receiving antenna 3, whose wide radiation pattern (BOT) is directed perpendicular to the trajectory, i.e. provides a side view of the space. When the aircraft is flying, the receiving antenna 3 sequentially occupies in space various positions 1, 2, 3, etc. (Fig. 4) in a straight line (flight path of the aircraft), thereby forming an artificial (synthesized) antenna array.

Задерживая сигналы на время

Figure 00000001
где Vc - скорость ЛА, последовательно принимаемые антенной 3 в каждой точке траектории, и когерентно их суммируя, можно получить узкую диаграмму направленности искусственно сформированной антенной решетки. Размер решетки, т.е. размер синтезированной апертуры приемной антенны 3, равен длине L участка траектории, на котором когерентно суммируются сигналы, принятые в разные моменты времени в разных последовательных точках траектории.Holding signals for a while
Figure 00000001
where V c is the speed of the aircraft sequentially received by antenna 3 at each point of the trajectory, and summing them coherently, a narrow radiation pattern of an artificially formed antenna array can be obtained. Lattice size i.e. the size of the synthesized aperture of the receiving antenna 3 is equal to the length L of the path section on which the signals received at different points in time at different consecutive points of the path are coherently summed.

Максимально возможная (потенциальная) угловая разрешающая способность РЛС по азимуту определяется шириной диаграммы направленности синтезированной антенныThe maximum possible (potential) angular resolution of the radar in azimuth is determined by the width of the radiation pattern of the synthesized antenna

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

где L - размер участка траектории ЛА, на котором обрабатываются принимаемые сигналы и синтезируется апертура. При боковом обзоре радиолокационная информация формируется в полосе местности, границы которой располагаются параллельно траектории ЛА (фиг.4).where L is the size of the portion of the aircraft trajectory on which the received signals are processed and the aperture is synthesized. When a side view of the radar information is formed in a strip of terrain, the boundaries of which are parallel to the trajectory of the aircraft (figure 4).

При движении РЛС по траектории частота f0 сигнала, отраженного магистралью, отличается от частоты зондирующего сигнала fз на значение доплеровского сигналаWhen the radar moves along the trajectory, the frequency f 0 of the signal reflected by the line differs from the frequency of the probing signal f s by the value of the Doppler signal

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

где θ - угол между направлением на объект и боковым направлением.where θ is the angle between the direction to the object and the lateral direction.

Работа георадара заключается в следующем.GPR operation is as follows.

При взлете летательного аппарата 1 включают в бортовую электрическую сеть блоки георадара, а при выходе аппарата 1 на предполагаемый топографический маршрут трассы начинают сканировать поверхность земли антеннами 2 и 3, синтезировать апертуру принимающей антенны 3.When the aircraft 1 takes off, the GPR blocks are included in the on-board electrical network, and when the device 1 enters the proposed topographic route, the routes begin to scan the earth's surface with antennas 2 and 3, and synthesize the aperture of the receiving antenna 3.

Синхронизатор 4 предназначен для формирования запускающих, управляющих и бланкирующих видеоимпульсов. Он обеспечивает координацию работы всех функциональных блоков георадара во времени. Импульсы запуска генератора 6 импульсов, поступающие из синхронизатора 4, определяют моменты излучения зондирующих импульсов. Зондирующие поверхность земли короткие электромагнитные импульсы, проникая через толщу грунта, отражаются обратно от поверхности земли, границ фракций среды грунта и искусственно вложенного в грунт протяженного трубопровода и через принимающую антенну 3 и приемник 7 поступают на сумматор 9 непосредственно и через n-отводную линию задержки 8.i (i=1, …, n). Последние формируют синтезированную апертуру принимающей антенны 3 с узкой диаграммой направленности. Амплитуда принимаемых радиоимпульсов изменяется за время облучения поверхности земли в соответствии с диаграммой направленности реальной антенны по азимуту с синтезированной апертурой. Фаза радиоимпульсов изменяется в соответствии с доплеровским смещением частоты, определяемым путевой скоростью ЛА и текущим азимутом магистрали. По отраженным сигналам формируется картина профиля грунта с массивным протяженным объектом. Границы раздела фракций грунта и трубопровода отображаются на экране видеомонитора 11 в виде ярко-темных линий, однородность среды - одним цветом ровной тональности, степень которой зависит от электрофизических свойств структуры грунта. Чем выше коэффициент поглощения, тем темнее тональность. По разности контрастности участков, их габаритам и резким ярко-темным границам, высвечиваемым на экране монитора 11, судят о наличии трубопровода и его поперечном размере, а по времени прихода соответствующих отраженных сигналов от поверхности грунта земли и границы раздела трубопровода с фракциями грунта до антенны 3 судят о глубине залегания трубопровода в грунте.Synchronizer 4 is intended for the formation of triggering, controlling and blanking video pulses. It provides coordination of the work of all functional units of the GPR in time. The start pulses of the generator 6 pulses coming from the synchronizer 4, determine the moments of radiation of the probe pulses. The short electromagnetic pulses probing the earth's surface, penetrating through the soil, are reflected back from the earth's surface, the boundaries of the fractions of the soil medium and the extended pipeline artificially inserted into the soil, and through the receiving antenna 3 and receiver 7 enter the adder 9 directly and through the n-branch delay line 8 .i (i = 1, ..., n). The latter form a synthesized aperture of the receiving antenna 3 with a narrow radiation pattern. The amplitude of the received radio pulses varies during the irradiation of the earth's surface in accordance with the directivity pattern of a real antenna in azimuth with a synthesized aperture. The phase of the radio pulses changes in accordance with the Doppler frequency offset determined by the ground speed of the aircraft and the current azimuth of the trunk. Based on the reflected signals, a soil profile picture with a massive extended object is formed. The boundaries between the fractions of the soil and the pipeline are displayed on the screen of the video monitor 11 in the form of bright dark lines, the homogeneity of the medium is the same color of even tonality, the degree of which depends on the electrophysical properties of the soil structure. The higher the absorption coefficient, the darker the tonality. The presence of the pipeline and its transverse size are judged by the difference in the contrast of the sections, their dimensions and sharp bright dark boundaries displayed on the monitor screen 11, and by the time of arrival of the corresponding reflected signals from the ground surface of the earth and the interface between the pipeline fractions of the soil and antenna 3 judge the depth of the pipeline in the ground.

Таким образом, предлагаемый мобильный георадар по сравнению с прототипом обеспечивает повышение разрешающей способности по азимуту. Это достигается за счет синтезирования апертуры принимающей антенны.Thus, the proposed mobile GPR in comparison with the prototype provides an increase in resolution in azimuth. This is achieved by synthesizing the aperture of the receiving antenna.

Считается, что с использованием метода синтезирования можно увеличить разрешающую способность мобильного георадара по азимуту в 100 раз и более по сравнению с разрешающей способностью панорамных РЛС и прототипа. По потенциальным характеристикам разрешающей способности предлагаемый мобильный георадар с синтезированной апертурой принимающей антенны приближается к разрешению, характерному для оптических приборов.It is believed that using the synthesis method it is possible to increase the resolution of a mobile GPR in azimuth by 100 times or more compared with the resolution of panoramic radars and a prototype. According to the potential characteristics of the resolution, the proposed mobile georadar with a synthesized aperture of the receiving antenna approaches the resolution characteristic of optical instruments.

Размер синтезируемой антенны, т.е. участок траектории, на котором обрабатываются сигналы, можно изменять так, чтобы ширина синтезированной диаграммы направленности уменьшалась пропорционально увеличению дальности. Этот эффект позволяет получать радиолокационные изображения с постоянной разрешающей способностью независимо от удаленности просматриваемого участка местности.The size of the synthesized antenna, i.e. the portion of the path on which the signals are processed can be changed so that the width of the synthesized radiation pattern decreases in proportion to the increase in range. This effect allows to obtain radar images with a constant resolution regardless of the remoteness of the viewed area.

Положительным результатом предлагаемого мобильного георадара являются расширенные функциональные возможности (одновременный поиск трассы, определение ее поперечного размера и глубины залегания в грунте), высокая помехозащищенность и качество изображения на видеомониторе вследствие выбранных параметров зондирующих импульсов, синхронизации сканирования антенн и работы всех функциональных блоков георадара во времени, наличия базы данных, хранящейся в памяти процессора, зависимости контрастности от электрофизических свойств фракций грунтов и высокая разрешающая способность по азимуту за счет формирования искусственной (синтезированной) антенной решетки. С помощью последней может быть построена подробная и точная карта просвечиваемой среды. Качество такой радиолокационной съемки сравнимо с качеством снимков в оптическом диапазоне. Но проведению радиолокационной съемки практически не мешают погодные условия и условия освещенности, которые существенно влияют на использование оптики.A positive result of the proposed mobile georadar is enhanced functionality (simultaneous search for a route, determination of its transverse size and depth in the ground), high noise immunity and image quality on a video monitor due to the selected parameters of the probe pulses, synchronization of antenna scanning and the operation of all georadar functional blocks in time, the presence of a database stored in the processor memory, the dependence of contrast on the electrophysical properties of the fraction th soil and high resolution in azimuth due to the formation of an artificial (synthesized) antenna array. Using the latter, a detailed and accurate map of the translucent medium can be constructed. The quality of such a radar survey is comparable to the quality of images in the optical range. But the weather and lighting conditions, which significantly affect the use of optics, practically do not interfere with conducting radar surveys.

Claims (1)

Мобильный георадар для дистанционного поиска местоположения подземных магистральных коммуникаций и определения их поперечного размера и глубины залегания в грунте, содержащий летательный аппарат, последовательно включенные высокочастотный генератор импульсов и передающую антенну высокочастотных электромагнитных импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления антеннами, последовательно включенные принимающую антенну высокочастотных электромагнитных импульсов, второй вход которой соединен со вторым выходом блока управления антеннами, и приемник, последовательно включенные процессор с программным обеспечением и монитор, при этом антенны выполнены в виде коллимирующих решеток, шарнирно закрепленных снаружи на днище фюзеляжа летательного аппарата с возможностью синхронного качания каждой антенны в плоскости поперечного сечения фюзеляжа на угол 1-5° относительно вертикали и независимо от крена летательного аппарата и сфокусированных в сторону поверхности земли, длительность зондирующих электромагнитных импульсов фиксирована и назначается в пределах диапазона 10-0,2 нс, а данные зависимости контрастности от электрофизических свойств фракций грунтов и материалов трубопроводных коммуникаций введены в программное обеспечение процессора, отличающийся тем, что он снабжен синхронизатором, многоотводной линией задержки и сумматором, обеспечивающими синтезирование апертуры принимающей антенны, причем входы управления блока управления антеннами, высокочастотного генератора импульсов и приемника соединены с соответствующими выходами синхронизатора, к выходу приемника последовательно подключены многоотводная линия задержки и сумматор, вход управления которого соединен с выходом приемника, а выход подключен к входу процессора с программным обеспечением, вход управления которого соединен с четвертым выходом синхронизатора. A mobile georadar for remote search of the location of underground trunk communications and determination of their lateral size and depth in the ground, comprising an aircraft, a high-frequency pulse generator in series, and a high-frequency electromagnetic pulse transmitting antenna, the second input of which is connected to the first output of the antenna control unit, the receiving an antenna of high-frequency electromagnetic pulses, the second input of which is connected to the second the course of the antenna control unit, and the receiver, a processor with software and a monitor connected in series, while the antennas are made in the form of collimating arrays pivotally mounted outside on the bottom of the fuselage of the aircraft with the possibility of synchronous swinging of each antenna in the plane of the fuselage cross section at an angle of 1-5 ° relative to the vertical and regardless of the roll of the aircraft and focused towards the surface of the earth, the duration of the probe electromagnetic pulses is fixed and called It starts within the range of 10-0.2 ns, and the data of the dependence of contrast on the electrophysical properties of fractions of soils and materials of pipeline communications are entered into the processor software, characterized in that it is equipped with a synchronizer, a multi-tap delay line and an adder that synthesizes the aperture of the receiving antenna, moreover, the control inputs of the antenna control unit, the high-frequency pulse generator and the receiver are connected to the corresponding outputs of the synchronizer, to the output of the receiver RAKE sequentially connected delay line, and an adder whose control input is connected to the receiver output, and an output connected to the input of the processor with software, which control input is connected to the fourth output of the synchronizer.
RU2011104471/28A 2011-02-08 2011-02-08 Mobile georadar for remote search of location of underground communication main lines and determination of cross dimensions and depth thereof RU2451954C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011104471/28A RU2451954C1 (en) 2011-02-08 2011-02-08 Mobile georadar for remote search of location of underground communication main lines and determination of cross dimensions and depth thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011104471/28A RU2451954C1 (en) 2011-02-08 2011-02-08 Mobile georadar for remote search of location of underground communication main lines and determination of cross dimensions and depth thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2451954C1 true RU2451954C1 (en) 2012-05-27

Family

ID=46231767

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011104471/28A RU2451954C1 (en) 2011-02-08 2011-02-08 Mobile georadar for remote search of location of underground communication main lines and determination of cross dimensions and depth thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2451954C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2656287C1 (en) * 2017-06-05 2018-06-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ФГБОУ ВО ПГУТИ) Method for remote searching of underground communications location and determination of their lateral dimension and occurrence depth in the ground
US20200408896A1 (en) * 2018-03-09 2020-12-31 Saab Ab Methods, computer programs, radar systems, antenna systems, and flying platforms for detecting a horizontally buried linear object

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6091354A (en) * 1998-04-23 2000-07-18 Power Spectra, Inc. Ground penetrating radar with synthesized end-fire array
RU2154845C2 (en) * 1997-11-11 2000-08-20 ОАО "Радиоавионика" Gear for remote sounding of surface layers of ground
RU22826U1 (en) * 2001-12-20 2002-04-27 Янковский Константин Петрович SUBSURFACE SENSING RADAR
RU2207588C2 (en) * 2001-04-03 2003-06-27 Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы Helicopter-borne radar
RU2256941C1 (en) * 2004-06-16 2005-07-20 Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский институт интроскопии Московского научно-производственного объединения "Спектр" Mobile georadar for remote search for location of subterranean main communications and determining of their cross-section size and depth under the soil
EP1965223A1 (en) * 2007-03-02 2008-09-03 Saab Ab Subsurface Imaging radar
EP1067398B1 (en) * 1998-12-25 2009-08-12 Anatoly Ivanovich Konochkin Method for generating a radiolocation image of an object and device for generating a radiolocation image

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2154845C2 (en) * 1997-11-11 2000-08-20 ОАО "Радиоавионика" Gear for remote sounding of surface layers of ground
US6091354A (en) * 1998-04-23 2000-07-18 Power Spectra, Inc. Ground penetrating radar with synthesized end-fire array
EP1067398B1 (en) * 1998-12-25 2009-08-12 Anatoly Ivanovich Konochkin Method for generating a radiolocation image of an object and device for generating a radiolocation image
RU2207588C2 (en) * 2001-04-03 2003-06-27 Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы Helicopter-borne radar
RU22826U1 (en) * 2001-12-20 2002-04-27 Янковский Константин Петрович SUBSURFACE SENSING RADAR
RU2256941C1 (en) * 2004-06-16 2005-07-20 Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский институт интроскопии Московского научно-производственного объединения "Спектр" Mobile georadar for remote search for location of subterranean main communications and determining of their cross-section size and depth under the soil
EP1965223A1 (en) * 2007-03-02 2008-09-03 Saab Ab Subsurface Imaging radar

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2656287C1 (en) * 2017-06-05 2018-06-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ФГБОУ ВО ПГУТИ) Method for remote searching of underground communications location and determination of their lateral dimension and occurrence depth in the ground
US20200408896A1 (en) * 2018-03-09 2020-12-31 Saab Ab Methods, computer programs, radar systems, antenna systems, and flying platforms for detecting a horizontally buried linear object
US11726199B2 (en) * 2018-03-09 2023-08-15 Saab Ab Methods, computer programs, radar systems, antenna systems, and flying platforms for detecting a horizontally buried linear object

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Grasmueck et al. Full-resolution 3D GPR imaging
Annan Electromagnetic principles of ground penetrating radar
Hamran et al. Radar imager for Mars’ subsurface experiment—RIMFAX
US7167124B2 (en) Data acquisition for a ground penetrating radar system
Ciarletti et al. The WISDOM radar: unveiling the subsurface beneath the ExoMars Rover and identifying the best locations for drilling
Greaves et al. Velocity variations and water content estimated from multi-offset, ground-penetrating radar
Catapano et al. Contactless ground penetrating radar imaging: State of the art, challenges, and microwave tomography-based data processing
JP2005503566A (en) Subsurface radar imaging
Knödel et al. Ground penetrating radar
Xiao et al. Ground experiments of Chang’e-5 lunar regolith penetrating radar
Zhang et al. Performance evaluation of lunar penetrating radar onboard the rover of CE-3 probe based on results from ground experiments
Merkle et al. Fusion of ground penetrating radar and laser scanning for infrastructure mapping
Gaballah et al. Characterizing subsurface archaeological structures with full resolution 3D GPR at the early dynastic foundations of Saqqara Necropolis, Egypt
RU2656281C1 (en) Method of applying swarm of unmanned aerial vehicles for remote determination of location of underground communications, their cross section and depth in ground
JP2003302465A (en) Underground radar exploration method, device and program of frequency variable system
Rasol et al. Ground penetrating radar system: principles
Arcone et al. 1.4 GHz radar penetration and evidence of drainage structures in temperate ice: Black Rapids Glacier, Alaska, USA
RU2451954C1 (en) Mobile georadar for remote search of location of underground communication main lines and determination of cross dimensions and depth 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
Mostapha et al. 2D FDTD Simulation of ground penetrating radar imaging under subsurface with two different antenna types
Daniels et al. Ground-penetrating radar methods (GPR)
Novo Ground-penetrating radar (GPR)
Ciarletti et al. Bistatic sounding of the deep subsurface with a ground penetrating radar–experimental validation
Tulokhonov et al. Radiophysical monitoring of the Lake Baikal ice cover
Bukin et al. Using SFCW GPR to Search for Buried Objects

Legal Events

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

Effective date: 20150209