WO2004111685A1 - Method for radar sounding an underlying surface and device for carrying out said method - Google Patents

Method for radar sounding an underlying surface and device for carrying out said method Download PDF

Info

Publication number
WO2004111685A1
WO2004111685A1 PCT/RU2003/000150 RU0300150W WO2004111685A1 WO 2004111685 A1 WO2004111685 A1 WO 2004111685A1 RU 0300150 W RU0300150 W RU 0300150W WO 2004111685 A1 WO2004111685 A1 WO 2004111685A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
unit
amplifier
antenna
full
Prior art date
Application number
PCT/RU2003/000150
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Alexandr Evgenievich Reznikov
Den Oe
Original Assignee
Zakritoe Aktsionernoe Obschestvo 'timer'
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 Zakritoe Aktsionernoe Obschestvo 'timer' filed Critical Zakritoe Aktsionernoe Obschestvo 'timer'
Priority to AU2003271240A priority Critical patent/AU2003271240A1/en
Publication of WO2004111685A1 publication Critical patent/WO2004111685A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/12Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electromagnetic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/885Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for ground probing

Definitions

  • the invention relates to geophysics and is intended to study under the surface structure of the soil and detect objects to depths of several tens and hundreds of meters and is applicable for solving scientific and engineering problems in various fields, such as geophysics, geology, construction, archeology.
  • a known method of radar sensing of the underlying surface including the formation of sounding pulses using a gas spark gap, their radiation, a transmitting antenna, registration of reflected waves by a receiving antenna, preliminary processing of the registered signal in the receiving unit using an attenuator and an amplifier-limiter, obtaining a waveform of the signal by comparing with the threshold value set on the quantization scale, the output of information on the screen of a liquid crystal indicator (LCD) and recording its memory (RU 2080622 Cl, 05/27/1997).
  • LCD liquid crystal indicator
  • a device for radar sensing of the underlying surface comprising an autonomous transmitter comprising a serially connected timer, and a voltage converter connected to a power source, and a probe pulse generator on a gas spark gap, and a transmit antenna connected via a connector, a receiving unit including a receiving antenna in series and series-connected attenuator and amplifier-limbs structurally combined into a separate antenna amplifier unit the amplifier connected to the first output of the synchronization unit, connected to the second output of the limiter amplifier, the main amplifier, and the device also contains a control panel, a memory unit and an LCD (RU 2080622 Cl, 05.27.1997).
  • the disadvantages of the device are insufficient dynamic range, which leads to a limitation of the amplitude of the signal upon receipt of the wave form, as well as to a complete loss of information about the amplitude of the signal in binary mode.
  • the objective of the invention is the creation of a method and device for implementing a new registration mode - "full-wave form l ographic".
  • the technical result is the rapid receipt of information about subsurface structures and objects in the form of two-dimensional pictures in real time, the detection of subsurface objects with higher spatial resolution compared to the binary mode.
  • the method of radar sounding of the underlying surface includes the generation of sounding pulses using a gas spark gap, their radiation by the transmitting antenna, registration of reflected waves by the receiving antenna, preliminary processing of the registered signal in the receiving unit using an attenuator and an amplifier-limiter, obtaining a waveform of the signal by comparing with a threshold value set on a quantization scale, displaying information on a liquid crystal screen Skogen display (LCD) and its entry into memory.
  • a quasi-logarithmic scale of quantization of the signal amplitude is formed.
  • the dielectric constant and signal attenuation in the underlying layers are determined, the value of which determines the presence of subsurface objects, and for operational control on the LCD screen simultaneously with the frame of the full-waveform waveform output a binary frame composed of consecutive series of full-wave forms isolated at a given threshold value.
  • the device for radar sensing of the underlying surface comprises a transmitter including a series-connected timer, and a voltage converter connected to a power source, and a probe pulse generator on a gas spark gap and a transmit antenna connected via a connector, a receiving unit, including a receiving antenna connected in series and structurally combined into a separate antenna amplifier unit, connected in series e controlled attenuator and limiter amplifier connected to the first output of the synchronization unit, connected to the second output of the limiter amplifier, the main amplifier, and the device also contains a control panel, a memory unit and an LCD.
  • the main unit of the device connected to the receiving unit via a cable, additionally contains a processing unit, the first input of which is connected to the output of the main amplifier, and the second to the output of the 7-bit DAC, and the third input to the output of the controller, the output of the processing unit is connected to the input of the controller , also connected to the synchronization unit, memory unit, control panel and LCD, the controller is connected via an 7-bit DAC to an attenuator control unit, which is connected via cable to an antenna amplifier controlled attenuator of Tell, wherein the transmitter is carried out by launching gap optoelectronic pair associated with the base unit control panel and voltage inverter and a transmitter constructed as an infrared LED and photodetector.
  • Figure 1 presents a block diagram of a device.
  • Figure 2 shows a typical logarithmic full-waveform of the signal reflected from subsurface structures and objects along the horizontal axis, the decimal logarithm of the signal amplitude is plotted along the vertical axis of the delay time of the reflected signal in Nsec (billionth of a second).
  • Fig. 3 shows for comparison a linear waveform frame with a limitation of the signal amplitude at the top of the frame.
  • the horizontal axis represents the amplitude value on a linear scale.
  • Figure 4 presents a color (printed on a black and white printer) frame from logarithmic full-wave forms, illustrating a higher spatial resolution compared to a binary frame.
  • Figure 5 presents for comparison with figure 4 a binary frame of the same section.
  • Figure 6 presents a frame of a logarithmic full-wave form with 4 sections, where the envelopes of the signal amplitudes are approximated by straight lines.
  • the device contains a transmitter and receiving blocks, and the transmitter 1 includes a battery 15, a timer 16, a converter voltage 17, probing pulse shaper 18 transmitting antenna 2 detachable from the unit; the photodetector of the optoelectronic pair 5, and the receiving units include a receiving antenna 3, an antenna amplifier 4 connected to it through a connector, comprising a controlled attenuator 19, an amplifier-limiter 20 and an LED of the optoelectronic pair 5, and a structurally separate main unit connected by a cable to the antenna amplifier synchronization 6, main amplifier 7, processing unit 8, controller 9, LCD 10, internal memory 11, control panel 12, 7-bit DAC 13 and attenuator control unit 14.
  • the device has a “binary form” mode, i.e. full-waveform waveforms allocated at a given threshold value. It is possible to register at the choice of one or three frames, with a threshold of 0 and two additional thresholds within +16 - -16, which somewhat enriches the ability to interpret data in difficult situations.
  • the “binary form” mode compares favorably with the “full wave” mode in the small amount of internal memory required, but its use is limited by relatively simple tasks, such as detecting pipes and communications.
  • the device uses the new “logarithmic full-waveform” mode as the main mode.
  • the attenuator is switched programmatically using a 7-bit DAC so that on the LCD screen the signal amplitude is recorded in a logarithmic scale.
  • the frame on the LCD screen has 128 horizontal pixels, of which the left 63 pixels are for displaying positive signals, the right 64 pixels are for negative signals, and the 64th pixel corresponds to a zero signal (zero threshold). At small amplitudes of the measured signal, the attenuator does not turn on.
  • the quantization step increment of the signal amplitude when increasing by 1 threshold module
  • the next 4 pixels the quantization step of the threshold doubles (increment by two threshold levels by one pixel), or in other words, the slope of the line segment is halved
  • the next 4 pixels are four times
  • the next 4 pixels are eight times.
  • a controlled attenuator is activated: in each rectilinear segment consisting of 3 subsequent pixels, the last 3 threshold values are set repeatedly, but with the attenuator connected with a sequentially increasing attenuation in increments of “4 dB (4; 8 etc.
  • the device consists of three structurally separate blocks (Fig.l).
  • the transmitter 1 is powered by a built-in power source 15 and consists of a timer 16 that sets the repetition rate ( ⁇ lKHz) probe pulses, a voltage converter 17, increasing the voltage from 10-15V to 5 KB, and a probe pulse shaper 18 based on a precision gas spark gap.
  • a voltage is applied to the main unit, the operation of the voltage converter 17 is blocked using an optoelectronic pair 5 and only when the “pyc” button is pressed in the registration mode, the voltage converter 17 is released, the storage capacitor in the probe pulse generator 18 is charged.
  • the voltage on the spark gap gradually increases, breakdown occurs spark gap, the capacitor closes to the transmitting antenna 2, forming a powerful probing ultra-wideband video pulse.
  • the probe pulse first reaches the receiving antenna 3 through the air gap between the antennas, and a clock pulse is generated on the steep leading edge of this pulse in the synchronization block 6, which serves as a time reference for the entire signal processing process.
  • the delayed signals reflected from subsurface objects, depending on the distance and their depth, are sequentially transmitted to the receiving antenna 3.
  • the received signal is pre-processed in the antenna amplifier 4 by a controlled attenuator 19 and an amplifier-limiter 20.
  • the signal amplitude is limited in order to protect the receiving path from overload.
  • the signal from the output of the antenna amplifier 4 is transmitted via cable to the main unit, where it is amplified in the main amplifier 7 and gets into the processing unit 8, in which the signal is compared with the threshold set by the 7-bit DAC 13 and the attenuator control unit 14 on the quasi-logarithmic quantization scale.
  • Exceeding the threshold signal is recorded in binary code as "1”, the absence of exceeding is recorded as "0”.
  • a sync pulse is used, generated in the synchronization unit 6.
  • information through the controller 9 is displayed on the LCD 10 and recorded in the memory unit 11.
  • the controller operating mode is set via the menu and submenu on the control panel 12.
  • Information is transferred from the memory block 11 to a personal computer via the serial port using a null modem cable.
  • the amount of internal memory 11 allows you to save 500 frames of the “binar” form or 3000 frames of the “full-wave” form in packed form.
  • Information is transferred under the control of a computer using a communication protocol, either by individual frames or by groups of frames combined into so-called “trunk lines”.
  • An external 12 V battery with a capacity of 7 Ah is used as a power source for the antenna amplifier and the main unit.
  • An unpleasant problem with shock excitation of the antenna is the occurrence of periodic oscillations at the natural frequency, the so-called “ring” of the antenna.
  • the monitored objects are in the near zone, and the first reflected pulses from the objects come with a minimum delay after the probing pulse. Ringing, overlapping these signals, completely mask them, therefore, to reduce the blind zone, measures must be taken to eliminate them.
  • the device uses resistively loaded dipole antennas with a suppression ratio of 0.35. With this damping, only one spurious ringing pulse is noticeable. Potential losses due to antenna damping are compensated by the introduction of signal averaging over 16 measurements.
  • a composite frame of full-wave forms with color coding of the signal amplitude in three-dimensional form is displayed on one half of the indicator - “amplitude - delay time - profile length”, and at the same time on the other half of the indicator - “binar form ", i.e. full-wave form allocated at a given threshold value.
  • the “binary form” frames are easily decrypted even in the field, and if necessary, the decision is made on binary frames to make adjustments to the measurement process.
  • the measurement process consists in the following: the studied section is divided into a number of points with a certain step, and a frame of a full-wave signal is recorded at each point, a characteristic view of which is shown in FIG. 2.
  • FIG. 3 shows a waveform with amplitude limitation. In the event of a malfunction or interference, the last full-wave frame is erased and the frame is re-registered.
  • Composite three-dimensional frame of full-wave forms with color-coded amplitude allows several times to improve spatial resolution in the field of small time scans due to amplitude discrimination of signals from objects (in Fig. 5, such an area is surrounded by a rectangular frame), as well as to distinguish objects that are invisible to “binary forms” due to the direct sounding pulse being applied to the signal from objects.
  • a sequential series of full-wave forms contains all the information on dielectric permeability and attenuation of a signal in a subsurface medium that is accessible to georadars.
  • Representation of the amplitude of the recorded signal on a logarithmic scale is also convenient because by the "picture" on the indicator it is possible to quickly evaluate the signal attenuation in subsurface layers, since the envelope of the signal amplitude is a straight line with a constant signal attenuation in the layer, which is clearly seen in Fig.6 .
  • 4 layers with a straight envelope can be reliably identified up to a signal delay time of approximately 140Hsec.
  • the ohmic attenuation of the signal in the layer can be estimated, and the sections of kink or rupture of the envelope correspond to the boundaries of the transition between the layers.
  • a plane-layered model of the medium parallel to the earth’s surface is usually used, and in such a medium each layer is assumed to be uniform with constant dielectric constant and ohmic attenuation due to conductivity.
  • the probe signal is reflected only at the boundaries of the transition between the layers and partly on objects that have electrodynamic parameters different from the surrounding medium.
  • the subsurface medium unlike the air, is substantially heterogeneous.
  • each layer there are many reflective objects, such as stones, inclusions of another rock, anthropogenic objects, etc., located at different distances from the georadar antennas, and the straight lines in Fig. 6 are the envelopes (on average) of signals from many reflective objects in the layer.
  • reflective objects such as stones, inclusions of another rock, anthropogenic objects, etc.
  • Another parameter of the subsurface medium is the dielectric constant, the size of which is equal to the square of the refractive index of the medium.
  • the georadar image of intense signal reflectors which in particular are cables and pipes, have the form of hyperbolic curves, the steepness of the wings of which depends on the speed of propagation of the signal and, accordingly, on the refractive index of the medium.
  • the reflecting object is considered as a mathematical point, which significantly increases the error.
  • the determination of the refractive index is carried out by hyperbole, while taking into account the final dimensions of the reflecting objects. For this, in the geometric optics approximation, an equation of the 6th degree in variable parameters is solved. With a pipe diameter of 0.5 m and a depth of 1–2 m and a refractive index of 3, taking into account the diameter of the pipe decreases the depth by 20% (or increases the refractive index by 20%).
  • a hodograph is constructed - a hyperbolic curve of the reflected signal from the boundaries of the layers, obtained with an increasing distance between the transmitting and receiving antennas, and the refractive index in the layer is determined from the hodograph and, accordingly, , the dielectric constant.
  • the found values of permittivity and signal attenuation are important for the reliable identification of the composition of subsurface soil (for example, sand-sandy loam-loam-clay).
  • the full-waveform is a two-dimensional frame (amplitude - delay time), and a composite frame of a consecutive set of full-waveforms is three-dimensional (amplitude - delay time - profile length), which is very inconvenient when displaying and displaying information.
  • the color gradation of the signal amplitude is used. The number of colors (usually 32 colors) and the color palette are selected and entered into the frame at the choice of the operator.
  • the invention is used in geophysics and is intended to study the subsurface structure of the soil and detect objects to a depth of several tens of meters and several hundred meters. It is also applicable for solving scientific and engineering problems in various fields, such as geology, construction, archeology, etc.

Abstract

The invention is used for studying a subsurface soil structure and detecting objects at a depth of several tens and hundreds of meters. The inventive method consists in forming sounding pulses with the aid of a gas-discharge arrester, sending said impulses by means of a transmitting antenna, recording reflection waves by a receiving antenna and in processing a recorded signal. A quasi-logarithmic signal amplitude quantizing scale is formed during processing. The logarithmic full-waveform of the recorded signal is represented in the form of a sequence of the signal waveforms in a three-dimensional form, i.e. amplitude-delay time-profile length associated with a coloured encoding of the signal amplitude. The values of a dielectric constant and decaying signal in underlying layers are defined, thereby making it possible to detect subsurface objects by using the size of said values. A binary exposure consisting of the sequence of the full-waveforms selected at a predefined threshold value is displayed on a LCD screen simultaneously with the exposure of the full-waveform of the signal. The inventive device consists of a transmitter provided with a pulse driver based on the gas-discharge arrester, a receiving unit provided with a receiving antenna and an antenna amplifier unit which comprises a controlled attenuator and a clipping amplifier, a main unit comprising a processing unit whose inputs are connected to the outputs of an amplifier, a seven-bit DAC and a controller, the outputs of the processing unit being connected to the controller input which is connected to a synchronisation and memory units, a control panel and the LCD. Said controller is connected to the attenuator control unit through the seven-bit DAC.

Description

Способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности и устройство для его осуществления Method for radar sounding of underlying surface and device for its implementation
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к геофизике и предназначено для исследования под поверхностной структуры почвы и обнаружения объектов до глубин в несколько десятков и сотен метров и применимо для решения научных и инженерных задач в различных областях, таких как геофизика, геология, строительство, археология.The invention relates to geophysics and is intended to study under the surface structure of the soil and detect objects to depths of several tens and hundreds of meters and is applicable for solving scientific and engineering problems in various fields, such as geophysics, geology, construction, archeology.
Уровень техникиState of the art
Известен способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, включающий формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение, передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя-ограничителя, получение волновой формы сигнала методом компарирования с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память (RU 2080622 Cl, 27.05.1997).A known method of radar sensing of the underlying surface, including the formation of sounding pulses using a gas spark gap, their radiation, a transmitting antenna, registration of reflected waves by a receiving antenna, preliminary processing of the registered signal in the receiving unit using an attenuator and an amplifier-limiter, obtaining a waveform of the signal by comparing with the threshold value set on the quantization scale, the output of information on the screen of a liquid crystal indicator (LCD) and recording its memory (RU 2080622 Cl, 05/27/1997).
Недостатками способа являются то, что принятый за основной бинарный режим не позволяет в сложных ситуациях производить правильную интерпретацию полученных данных. Известно устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее автономный передатчик, включающий последовательно соединенные таймер, и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также устройство содержит панель управления, блок памяти и ЖКИ (RU 2080622 Cl, 27.05.1997).The disadvantages of the method are that adopted for the main binary mode does not allow in difficult situations to produce the correct interpretation of the data. A device for radar sensing of the underlying surface, comprising an autonomous transmitter comprising a serially connected timer, and a voltage converter connected to a power source, and a probe pulse generator on a gas spark gap, and a transmit antenna connected via a connector, a receiving unit including a receiving antenna in series and series-connected attenuator and amplifier-limbs structurally combined into a separate antenna amplifier unit the amplifier connected to the first output of the synchronization unit, connected to the second output of the limiter amplifier, the main amplifier, and the device also contains a control panel, a memory unit and an LCD (RU 2080622 Cl, 05.27.1997).
Недостатками устройства являются недостаточный динамический диапазон, что приводит к ограничению амплитуды сигнала при получении волновой формы, а также к полной потере информации об амплитуде сигнала в режиме бинарных форм.The disadvantages of the device are insufficient dynamic range, which leads to a limitation of the amplitude of the signal upon receipt of the wave form, as well as to a complete loss of information about the amplitude of the signal in binary mode.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей изобретения является создание способа и устройства для реализации нового режима регистрации - «пoлнoвoлнoвaя форма л oгapифмичecкaя» . Техническим результатом является оперативное получение информации о подповерхностных структурах и объектах в виде двумерных картин в реальном времени, обнаружение подповерхностных объектов с более высоким пространственным разрешением по сравнению с бинарным режимом.The objective of the invention is the creation of a method and device for implementing a new registration mode - "full-wave form l ographic". The technical result is the rapid receipt of information about subsurface structures and objects in the form of two-dimensional pictures in real time, the detection of subsurface objects with higher spatial resolution compared to the binary mode.
Технический результат достигается тем, что способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности включает формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя- ограничителя, получение волновой формы сигнала методом компарирования с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память. При предварительной обработке зарегистрированного сигнала для увеличения динамического диапазона регистрации с помощью многоразрядного ЦАП и блока управления аттенюатором формируют квазилогарифмическую шкалу квантования амплитуды сигнала. По логарифмической полноволновой форме зарегистрированного сигнала, представленной в виде последовательного ряда волновых форм сигнала в трехмерной форме - «aмплитyдa - время задержки - длина пpoфиля» с цветовой кодировкой амплитуды сигнала, определяют значения диэлектрической постоянной и затухания сигнала в подстилающих слоях, по величине которых судят о наличии подповерхностных объектов, а для оперативного контроля на экран ЖКИ одновременно с кадром полноволновой формы сигнала выводят бинарный кадр, составленный из последовательного ряда полноволновых форм, выделенных при заданной величине порога.The technical result is achieved by the fact that the method of radar sounding of the underlying surface includes the generation of sounding pulses using a gas spark gap, their radiation by the transmitting antenna, registration of reflected waves by the receiving antenna, preliminary processing of the registered signal in the receiving unit using an attenuator and an amplifier-limiter, obtaining a waveform of the signal by comparing with a threshold value set on a quantization scale, displaying information on a liquid crystal screen Skogen display (LCD) and its entry into memory. When pre-processing the registered signal to increase the dynamic range of registration using a multi-bit DAC and an attenuator control unit, a quasi-logarithmic scale of quantization of the signal amplitude is formed. Using the logarithmic full-waveform of the registered signal, presented in the form of a series of waveforms of the waveform in three-dimensional form - “amplitude - delay time - profile length” with color coding of the signal amplitude, the dielectric constant and signal attenuation in the underlying layers are determined, the value of which determines the presence of subsurface objects, and for operational control on the LCD screen simultaneously with the frame of the full-waveform waveform output a binary frame composed of consecutive series of full-wave forms isolated at a given threshold value.
Кроме того, технический результат достигается тем, что устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержит передатчик, включающий последовательно соединенные таймер, и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные управляемый аттенюатор и усилитель- ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также устройство содержит панель управления, блок памяти и ЖКИ. Основной блок устройства, связанный с приемным блоком посредством кабеля, дополнительно содержит блок обработки, первый вход которого соединен с выходом основного усилителя, а второй - с выходом 7-разрядного ЦАП, а третий вход - с выходом контроллера, выход блока обработки соединен со входом контроллера, соединенного также с блоком синхронизации, блоком памяти, панелью управления и ЖКИ, контроллер через 7-разрядный ЦАП соединен с блоком управления аттенюатором, который посредством кабеля соединен с управляемым аттенюатором антенного усилителя, при этом запуск передатчика осуществляется путем разрыва оптоэлектронной пары, связанной с панелью управления основного блока и преобразователем напряжения передатчика и выполненной в виде инфракрасного светодиода и фотоприемника. Краткое описание чертежейIn addition, the technical result is achieved in that the device for radar sensing of the underlying surface comprises a transmitter including a series-connected timer, and a voltage converter connected to a power source, and a probe pulse generator on a gas spark gap and a transmit antenna connected via a connector, a receiving unit, including a receiving antenna connected in series and structurally combined into a separate antenna amplifier unit, connected in series e controlled attenuator and limiter amplifier connected to the first output of the synchronization unit, connected to the second output of the limiter amplifier, the main amplifier, and the device also contains a control panel, a memory unit and an LCD. The main unit of the device, connected to the receiving unit via a cable, additionally contains a processing unit, the first input of which is connected to the output of the main amplifier, and the second to the output of the 7-bit DAC, and the third input to the output of the controller, the output of the processing unit is connected to the input of the controller , also connected to the synchronization unit, memory unit, control panel and LCD, the controller is connected via an 7-bit DAC to an attenuator control unit, which is connected via cable to an antenna amplifier controlled attenuator of Tell, wherein the transmitter is carried out by launching gap optoelectronic pair associated with the base unit control panel and voltage inverter and a transmitter constructed as an infrared LED and photodetector. Brief Description of the Drawings
На фиг.1 представлена блок-схема устройства.Figure 1 presents a block diagram of a device.
На фиг.2 представлен типичный кадр логарифмической полноволновой формы отраженного от подповерхностных структур и объектов сигнала по горизонтальной оси отложен десятичный логарифм амплитуды сигнала, по вертикальной оси времени задержки отраженного сигнала в Нсек (миллиардная доля секунды).Figure 2 shows a typical logarithmic full-waveform of the signal reflected from subsurface structures and objects along the horizontal axis, the decimal logarithm of the signal amplitude is plotted along the vertical axis of the delay time of the reflected signal in Nsec (billionth of a second).
На фиг.З представлен для сравнения кадр линейной волновой формы с ограничением амплитуды сигнала в верхней части кадра. По горизонтальной оси отложено значение амплитуды в линейном масштабе.Fig. 3 shows for comparison a linear waveform frame with a limitation of the signal amplitude at the top of the frame. The horizontal axis represents the amplitude value on a linear scale.
На фиг.4 представлен цветной (отпечатанный на черно-белом принтере) кадр из логарифмических полноволновых форм, иллюстрирующий более высокое по сравнению с бинарным кадром, пространственное разрешение.Figure 4 presents a color (printed on a black and white printer) frame from logarithmic full-wave forms, illustrating a higher spatial resolution compared to a binary frame.
На фиг.5 представлен для сравнения с фиг.4 бинарный кадр того же участка.Figure 5 presents for comparison with figure 4 a binary frame of the same section.
На фиг.6 представлен кадр логарифмической полноволновой формы с 4-мя участками, где огибающие амплитуды сигнала аппроксимируются прямыми линиями.Figure 6 presents a frame of a logarithmic full-wave form with 4 sections, where the envelopes of the signal amplitudes are approximated by straight lines.
Лучший вариант осуществления изобретенияThe best embodiment of the invention
Устройство содержит передатчик и приемные блоки, причем передатчик 1 включает аккумулятор 15, таймер 16, преобразователь напряжения 17, формирователь зондирующих импульсов 18 разъемная от блока передающая антенна 2; фотоприемник оптоэлектронной пары 5, а приемные блоки включают приемную антенну 3, соединенный с ней через разъем антенный усилитель 4, содержащий управляемый аттенюатор 19, усилитель-ограничитель 20 и светодиод оптоэлектронной пары 5, и соединенный кабелем с антенным усилителем конструктивно отдельный основной блок, содержащий блок синхронизации 6, основной усилитель 7, блок обработки 8, контроллер 9, ЖКИ 10, встроенную память 11, панель управления 12, 7-разрядный ЦАП 13 и блок управления аттенюатором 14.The device contains a transmitter and receiving blocks, and the transmitter 1 includes a battery 15, a timer 16, a converter voltage 17, probing pulse shaper 18 transmitting antenna 2 detachable from the unit; the photodetector of the optoelectronic pair 5, and the receiving units include a receiving antenna 3, an antenna amplifier 4 connected to it through a connector, comprising a controlled attenuator 19, an amplifier-limiter 20 and an LED of the optoelectronic pair 5, and a structurally separate main unit connected by a cable to the antenna amplifier synchronization 6, main amplifier 7, processing unit 8, controller 9, LCD 10, internal memory 11, control panel 12, 7-bit DAC 13 and attenuator control unit 14.
В устройстве предусмотрен режим «бинapныx фopм», т.е. полноволновых форм сигнала, выделенных при заданной величине порога. Возможна регистрация по выбору одного или трех кадров, с порогом 0 и двумя дополнительными порогами в пределах +16 - -16, что несколько обогащает возможность интерпретации данных в сложных ситуациях. Режим «бинapныx фopм» выгодно отличается от режима «пoлнoвoлнoвыx» форм малым объемом требуемой встроенной памяти, но использование его ограничено сравнительно простыми задачами, такими как обнаружение труб и коммуникаций.The device has a “binary form” mode, i.e. full-waveform waveforms allocated at a given threshold value. It is possible to register at the choice of one or three frames, with a threshold of 0 and two additional thresholds within +16 - -16, which somewhat enriches the ability to interpret data in difficult situations. The “binary form” mode compares favorably with the “full wave” mode in the small amount of internal memory required, but its use is limited by relatively simple tasks, such as detecting pipes and communications.
В устройстве в качестве основного режима используется новый режим « логарифмических полноволновых фopм». Переключение аттенюатора производится программно с помощью 7-разрядного ЦАП так, чтобы на экране ЖКИ амплитуда сигнала регистрировалась в логарифмическом масштабе. Кадр на экране ЖКИ имеет 128 пикселей по горизонтали, из них левые 63 пикселя предназначены для отображения положительных сигналов, правые 64 пикселя - для отрицательных сигналов, а 64-й пиксель соответствует нулевому сигналу (нулевой порог). При малых амплитудах измеряемого сигнала аттенюатор не включается. До пикселя плюс и минус 8 (8 пикселей влево и вправо от нулевого 64-го пикселя) шаг квантования (приращение амплитуды сигнала при возрастании на 1 модуля порога) одинаково, следующие 4 пикселя шаг квантования порога увеличивается вдвое (приращение на два уровня порога на один пиксель), или другими словами крутизна отрезка прямой уменьшается вдвое, следующие 4 пикселя-вчетверо, следующие 4 пикселя - в восемь раз. После этого ( плюс - минус двадцатого пикселя) приводится в действие управляемый аттенюатор: в каждом прямолинейном отрезке, состоящем из 3-х последующих пикселей задаются повторно 3 последние значения порога, но с подключением аттенюатора с последовательно возрастающим ослаблением с шагом «4 дБ (4;8 и т.д. до 56 дБ). Поэтому крутизна прямолинейных участков (в пределах 3-х пикселей) последовательно уменьшается, и в результате с увеличением номера пикселя от середины (64-го пикселя) амплитуда сигнала на экране ЖКИ возрастает по квазилогарифмическому закону (кусочно-линейная аппроксимация), и таким образом удается увеличить динамический диапазон регистрируемого сигнала до ~ 100 дБ (42дБ дает 7-разрядный ЦАП и 56дБ - управляемый аттенюатор) без использования многоразрядного высокочастотного АЦП.К достоинству предложенной схемы регистрации полноволновых форм также следует отнести то, что чувствительность приемного тракта выше при малых порогах (50-75 мкв при нулевом пороге), так как при больших амплитудах сигнала собственные шумы приемника несущественны.The device uses the new “logarithmic full-waveform” mode as the main mode. The attenuator is switched programmatically using a 7-bit DAC so that on the LCD screen the signal amplitude is recorded in a logarithmic scale. The frame on the LCD screen has 128 horizontal pixels, of which the left 63 pixels are for displaying positive signals, the right 64 pixels are for negative signals, and the 64th pixel corresponds to a zero signal (zero threshold). At small amplitudes of the measured signal, the attenuator does not turn on. Up to plus and minus 8 pixels (8 pixels to the left and right of the 64th pixel zero) the quantization step (increment of the signal amplitude when increasing by 1 threshold module) is the same, the next 4 pixels the quantization step of the threshold doubles (increment by two threshold levels by one pixel), or in other words, the slope of the line segment is halved, the next 4 pixels are four times, the next 4 pixels are eight times. After this (plus or minus the twentieth pixel), a controlled attenuator is activated: in each rectilinear segment consisting of 3 subsequent pixels, the last 3 threshold values are set repeatedly, but with the attenuator connected with a sequentially increasing attenuation in increments of “4 dB (4; 8 etc. up to 56 dB). Therefore, the steepness of the rectilinear sections (within 3 pixels) sequentially decreases, and as a result of increasing the pixel number from the middle (64th pixel), the signal amplitude on the LCD screen increases according to the quasi-logarithmic law (piecewise-linear approximation), and thus increase the dynamic range of the recorded signal to ~ 100 dB (42dB gives a 7-bit DAC and 56dB a controlled attenuator) without using a multi-bit high-frequency ADC. To the advantage of the proposed registration scheme for full-wave forms It should also be noted that the sensitivity of the receiving path is higher at small thresholds (50-75 μV at a zero threshold), since at large signal amplitudes the receiver’s own noise is not significant.
Устройство состоит из трех конструктивно раздельных блоков (фиг.l). Передатчик 1 питается от встроенного источника питания 15 и состоит из таймера 16, задающего частоту следования (~lKгц) зондирующих импульсов, преобразователя напряжения 17, повышающего напряжение с 10- 15В до 5 KB, и формирователя зондирующего импульса 18 на основе прецизионного газового разрядника. При подаче напряжения питания на основной блок работа преобразователя напряжения 17 блокируется с помощью оптоэлектронной пары 5 и только при нажатии кнопки «пycк» режима регистрации снимается блокировка преобразователя напряжения 17, заряжается накопительный конденсатор в формирователе зондирующего импульса 18. Напряжение на разряднике постепенно возрастает, наступает пробой разрядника, конденсатор замыкается на передающую антенну 2, формируя мощный зондирующий сверхширокополосный видеоимпульс. Зондирующий импульс первым достигает приемной антенны 3 по воздушному промежутку между антеннами ,и по крутому переднему фронту этого импульса формируется синхроимпульс в блоке синхронизации 6, который служит временной привязкой для всего процесса обработки сигнала. Отраженные от подповерхностных объектов сигналы с запаздыванием, в зависимости от удаленности и глубины их нахождения, последовательно попадают на приемную антенну 3. Принятый сигнал предварительно обрабатывается в антенном усилителе 4 управляемым аттенюатором 19 и усилителем - ограничителем 20. Ограничение амплитуды сигнала производится с целью защиты приемного тракта от перегрузки. Сигнал с выхода антенного усилителя 4 передается по кабелю в основной блок, где доусиливается в основном усилителе 7 и попадает в блок обработки 8, в котором производится сравнение сигнала с порогом, задаваемом 7-разрядным ЦАП 13 и блоком управления аттенюатором 14 по квазилогарифмической шкале квантования. Превышение сигналом порога регистрируется в двоичном коде как «1», отсутствие превышения регистрируется как «0». Для привязки временных задержек моментов превышения сигналом порога используется синхроимпульс, сформированный в блоке синхронизации 6. С выхода блока обработки информация через контроллер 9 выводится на экран ЖКИ 10 и записывается в блок памяти 11. Режим работы контроллера задается через меню и подменю на панели управления 12. Перекачка информации из блока памяти 11 в персональный компьютер производится по последовательному порту с помощью нуль-модемного кабеля. Объем встроенной памяти 11 позволяет сохранять 500 кадров «бинapнoй» формы или 3000 кадров «пoлнoвoлнoвoй» формы в упакованном виде. Перекачка информации производится под управлением компьютера по протоколу связи либо отдельными кадрами, либо группами кадров, объединенных в так называемые «тpaccы-линии». В качестве источника питания антенного усилителя и основного блока используется внешний, подсоединяемый разъемом аккумулятор на 12 В емкостью 7Aчac.The device consists of three structurally separate blocks (Fig.l). The transmitter 1 is powered by a built-in power source 15 and consists of a timer 16 that sets the repetition rate (~ lKHz) probe pulses, a voltage converter 17, increasing the voltage from 10-15V to 5 KB, and a probe pulse shaper 18 based on a precision gas spark gap. When a voltage is applied to the main unit, the operation of the voltage converter 17 is blocked using an optoelectronic pair 5 and only when the “pyc” button is pressed in the registration mode, the voltage converter 17 is released, the storage capacitor in the probe pulse generator 18 is charged. The voltage on the spark gap gradually increases, breakdown occurs spark gap, the capacitor closes to the transmitting antenna 2, forming a powerful probing ultra-wideband video pulse. The probe pulse first reaches the receiving antenna 3 through the air gap between the antennas, and a clock pulse is generated on the steep leading edge of this pulse in the synchronization block 6, which serves as a time reference for the entire signal processing process. The delayed signals reflected from subsurface objects, depending on the distance and their depth, are sequentially transmitted to the receiving antenna 3. The received signal is pre-processed in the antenna amplifier 4 by a controlled attenuator 19 and an amplifier-limiter 20. The signal amplitude is limited in order to protect the receiving path from overload. The signal from the output of the antenna amplifier 4 is transmitted via cable to the main unit, where it is amplified in the main amplifier 7 and gets into the processing unit 8, in which the signal is compared with the threshold set by the 7-bit DAC 13 and the attenuator control unit 14 on the quasi-logarithmic quantization scale. Exceeding the threshold signal is recorded in binary code as "1", the absence of exceeding is recorded as "0". To bind the time delays of the moments when the threshold signal is exceeded, a sync pulse is used, generated in the synchronization unit 6. From the output of the processing unit, information through the controller 9 is displayed on the LCD 10 and recorded in the memory unit 11. The controller operating mode is set via the menu and submenu on the control panel 12. Information is transferred from the memory block 11 to a personal computer via the serial port using a null modem cable. The amount of internal memory 11 allows you to save 500 frames of the “binar” form or 3000 frames of the “full-wave” form in packed form. Information is transferred under the control of a computer using a communication protocol, either by individual frames or by groups of frames combined into so-called “trunk lines”. An external 12 V battery with a capacity of 7 Ah is used as a power source for the antenna amplifier and the main unit.
Неприятной проблемой при ударном возбуждении антенны является возникновение периодических колебаний на собственной частоте, так называемый «звoн» антенны. В георадиолокации обозреваемые объекты находятся в ближней зоне, и первые отраженные импульсы от объектов приходят с минимальной задержкой после зондирующего импульса., Звон, накладываясь на эти сигналы, полностью маскирует их, поэтому для уменьшения слепой зоны необходимо принять меры по их устранению. В устройстве используются резистивно - нагруженные дипольные антенны с коэффициентом подавления 0,35. При таком демпфировании заметен только один паразитный импульс звона. Потери в потенциале за счет демпфирования антенн компенсируется введением осреднения сигнала по 16 измерениям. С учетом этого можно легко подсчитать теоретический потенциал георадара ~150 -lбОдБ из отношения напряжения передатчика к чувствительности приемного тракта георадара. Реальный потенциал георадара может разительно отличаться от теоретически рассчитанного, поэтому для устройства декларируется более низкий, по сравнению с теоретическим, потенциал 100-lЗOдБ. Экспериментальное определение потенциала георадара представляет очень сложную проблему из-за неопределенности многих факторов, таких как свойства антенн и условия распространения сигнала.An unpleasant problem with shock excitation of the antenna is the occurrence of periodic oscillations at the natural frequency, the so-called “ring” of the antenna. In GPR, the monitored objects are in the near zone, and the first reflected pulses from the objects come with a minimum delay after the probing pulse. Ringing, overlapping these signals, completely mask them, therefore, to reduce the blind zone, measures must be taken to eliminate them. The device uses resistively loaded dipole antennas with a suppression ratio of 0.35. With this damping, only one spurious ringing pulse is noticeable. Potential losses due to antenna damping are compensated by the introduction of signal averaging over 16 measurements. With this in mind, you can easily calculate the theoretical GPR potential ~ 150 -lB ODB from the ratio of the transmitter voltage to the sensitivity of the receiving path of the GPR. The actual ground penetrating radar potential can be very different from the theoretically calculated one, therefore a lower potential of 100-lЗОдБ is declared for the device. The experimental determination of the GPR potential is a very difficult problem due to the uncertainty of many factors, such as the properties of antennas and the propagation conditions of the signal.
Для улучшения оперативного контроля получаемого материала в устройстве при использовании цветного ЖКИ на одну половину индикатора выводится составной кадр из полноволновых форм с цветовой кодировкой амплитуды сигнала в трехмерной форме - «aмплитyдa - время задержки - длина пpoфиля», и одновременно на другую половину индикатора - «бинapнaя фopмa», т.е. полноволновая форма, выделенная при заданной величине порога.To improve the operational control of the material obtained in the device when using the color LCD, a composite frame of full-wave forms with color coding of the signal amplitude in three-dimensional form is displayed on one half of the indicator - “amplitude - delay time - profile length”, and at the same time on the other half of the indicator - “binar form ", i.e. full-wave form allocated at a given threshold value.
Кадры «бинapныx фopм» легко расшифровываются даже в полевых условиях, и по бинарным кадрам при необходимости принимается решение о внесении корректировки в процесс измерения. Процесс измерения состоит в следующем: исследуемый участок разбивается на ряд точек с определенным шагом, и в каждой точке регистрируется кадр полноволнового сигнала, характерный вид которого приведен на фиг. 2. Для сравнения на фиг.З приведена волновая форма с ограничением по амплитуде. В случае наличия сбоя или помех последний полноволновой кадр стирается и проводится повторная регистрация кадра.The “binary form” frames are easily decrypted even in the field, and if necessary, the decision is made on binary frames to make adjustments to the measurement process. The measurement process consists in the following: the studied section is divided into a number of points with a certain step, and a frame of a full-wave signal is recorded at each point, a characteristic view of which is shown in FIG. 2. For comparison, FIG. 3 shows a waveform with amplitude limitation. In the event of a malfunction or interference, the last full-wave frame is erased and the frame is re-registered.
Составной трехмерный кадр из полноволновых форм с цветовой кодировкой амплитуды позволяет в несколько раз улучшить пространственное разрешение в области малых временных разверток за счет амплитудной дискриминации сигналов от объектов (на фиг.5 такая область обведена прямоугольной рамкой), а также выделять объекты, невидимые на «бинapныx фopмax» из-за наложения на сигнал от объектов прямого зондирующего импульса.Composite three-dimensional frame of full-wave forms with color-coded amplitude allows several times to improve spatial resolution in the field of small time scans due to amplitude discrimination of signals from objects (in Fig. 5, such an area is surrounded by a rectangular frame), as well as to distinguish objects that are invisible to “binary forms” due to the direct sounding pulse being applied to the signal from objects.
Последовательный ряд полноволновых форм содержит всю доступную для георадаров информацию о диэлектрической проницаемости и затухании сигнала в подповерхностной среде. Представление амплитуды регистрируемого сигнала в логарифмическом масштабе удобно еще и тем, что по «кapтинe» на индикаторе оперативно можно оценить затухание сигнала в подповерхностных слоях, так как огибающая амплитуда сигнала является прямой линией при постоянстве затухания сигнала в слое, что хорошо видно на фиг.6. На этом рисунке можно уверенно идентифицировать 4 слоя с прямолинейной огибающей до времен задержки сигнала примерно 140Hceк. По наклону прямых огибающих можно оценить омическое затухание сигнала в слое, а участки излома или разрыва огибающей соответствуют границам перехода между слоями. В теоретических рассмотрениях обычно используется плоскослоистая, параллельная земной поверхности модель среды, и в такой среде каждый слой предполагается однородным с постоянной диэлектрической проницаемостью и омическим затуханием за счет проводимости. В такой модели зондирующий сигнал отражается только на границах перехода между слоями и отчасти на объектах, имеющих отличные от вмещающей среды электродинамические параметры. Но практика георадарных исследований, в частности наблюдения на устройстве, показывает, что такая модель далека от реальности в большинстве случаев. Подповерхностная среда, в отличие от воздушной, является существенно неоднородной. В каждом слое имеется множество отражающих объектов, таких как камни, включения другой породы, антропогенные объекты и т.д., расположенные на различных расстояниях от антенн георадара, и прямые линии на фиг.6 являются огибающими (в среднем) сигналов от множества отражающих объектов в слое.A sequential series of full-wave forms contains all the information on dielectric permeability and attenuation of a signal in a subsurface medium that is accessible to georadars. Representation of the amplitude of the recorded signal on a logarithmic scale is also convenient because by the "picture" on the indicator it is possible to quickly evaluate the signal attenuation in subsurface layers, since the envelope of the signal amplitude is a straight line with a constant signal attenuation in the layer, which is clearly seen in Fig.6 . In this figure, 4 layers with a straight envelope can be reliably identified up to a signal delay time of approximately 140Hsec. From the slope of the direct envelopes, the ohmic attenuation of the signal in the layer can be estimated, and the sections of kink or rupture of the envelope correspond to the boundaries of the transition between the layers. In theoretical considerations, a plane-layered model of the medium parallel to the earth’s surface is usually used, and in such a medium each layer is assumed to be uniform with constant dielectric constant and ohmic attenuation due to conductivity. In such a model, the probe signal is reflected only at the boundaries of the transition between the layers and partly on objects that have electrodynamic parameters different from the surrounding medium. But the practice of georadar studies, in particular observations on the device, shows that such a model is far from reality in most cases. The subsurface medium, unlike the air, is substantially heterogeneous. In each layer there are many reflective objects, such as stones, inclusions of another rock, anthropogenic objects, etc., located at different distances from the georadar antennas, and the straight lines in Fig. 6 are the envelopes (on average) of signals from many reflective objects in the layer.
Другим параметром подповерхностной среды, определяемым по георадарограммам является диэлектрическая проницаемость, по величине равный квадрату показателя преломления среды. Георадарный образ интенсивных отражателей сигнала, каковыми являются в частности кабели и трубы, имеют вид гиперболических кривых, крутизна крыльев которых зависит от скорости распространения сигнала и, соответственно, от показателя преломления среды. Но при расчете величины диэлектрической проницаемости отражающий объект рассматривается как математическая точка, что существенно увеличивает погрешность. Определение показателя преломления осуществляется по гиперболам, при этом, учитываются конечные размеры отражающих объектов. Для этого в приближении геометрической оптики решено уравнение 6-й степени по переменным параметрам. При диаметре труб 0,5 м и глубине залегания 1- 2 м и показателе преломления 3, учет диаметра трубы уменьшает глубину залегания на 20% (или увеличивает на 20% показатель преломления).Another parameter of the subsurface medium, determined by georadarograms, is the dielectric constant, the size of which is equal to the square of the refractive index of the medium. The georadar image of intense signal reflectors, which in particular are cables and pipes, have the form of hyperbolic curves, the steepness of the wings of which depends on the speed of propagation of the signal and, accordingly, on the refractive index of the medium. But when calculating the dielectric constant, the reflecting object is considered as a mathematical point, which significantly increases the error. The determination of the refractive index is carried out by hyperbole, while taking into account the final dimensions of the reflecting objects. For this, in the geometric optics approximation, an equation of the 6th degree in variable parameters is solved. With a pipe diameter of 0.5 m and a depth of 1–2 m and a refractive index of 3, taking into account the diameter of the pipe decreases the depth by 20% (or increases the refractive index by 20%).
В тех случаях, когда применимо приближение параллельности границ перехода слоев земной поверхности, для определения показателя преломления строится годограф - гиперболическая кривая отраженного сигнала от границ слоев, полученная при увеличивающем расстоянии между передающей и приемной антенной, и по годографу определяется показатель преломления в слое и, соответственно, диэлектрическая проницаемость. Найденные величины диэлектрической проницаемости и затухания сигнала важны для уверенного отождествления состава подповерхностной почвы (например, песок-супесь-суглинок-глина ). После нахождения показателей преломления подповерхностных слоев времена задержки сигнала трансформируются в глубины, причем для каждого слоя задается свой коэффициент перевода «вpeмя задержки - глyбинa».In those cases when the approximation of parallelism of the boundaries of the transitions of the Earth's surface layers is applicable, to determine the refractive index, a hodograph is constructed - a hyperbolic curve of the reflected signal from the boundaries of the layers, obtained with an increasing distance between the transmitting and receiving antennas, and the refractive index in the layer is determined from the hodograph and, accordingly, , the dielectric constant. The found values of permittivity and signal attenuation are important for the reliable identification of the composition of subsurface soil (for example, sand-sandy loam-loam-clay). After finding the refractive indices of the subsurface layers, the delay times of the signal are transformed into depths, and for each layer, its own conversion coefficient “delay time - depth” is set.
Полноволновая форма представляет собой двумерный кадр (амплитуда - время задержки), а составной кадр из последовательного множества полноволновых форм является трехмерным (амплитуда - время задержки - длина профиля), что весьма неудобно при выводе и отображении информации. Для обработки полноволновых форм вместо третьей (амплитудной) координаты используются цветовая градация амплитуды сигнала. Количество цветов (обычно 32 цвета) и цветовая палитра подбирается и вводится в кадр по выбору оператора. На цветных кадрах выделяются линии максимальной (положительной) и минимальной (отрицательной) амплитуды, и по этим линиям и по линиям смены полярности сигнала (бинарный кадр с порогом 0) определяют так называемые линии синфазности сигнала, которым соответствуют подповерхностные объекты и слои. Кроме цветного кадра можно получить любой бинарный кадр на любом из 128 порогов в виде черно- белого или монохромного кадра. И цветные и черно-белые кадры обрабатываются по стандартной методике бинарных форм.The full-waveform is a two-dimensional frame (amplitude - delay time), and a composite frame of a consecutive set of full-waveforms is three-dimensional (amplitude - delay time - profile length), which is very inconvenient when displaying and displaying information. To process full-waveforms, instead of the third (amplitude) coordinate, the color gradation of the signal amplitude is used. The number of colors (usually 32 colors) and the color palette are selected and entered into the frame at the choice of the operator. The lines of maximum (positive) and minimum (negative) amplitudes are highlighted in color frames, and the so-called common-mode lines of the signal, which correspond to subsurface objects and layers, are determined by these lines and lines of change of signal polarity (binary frame with threshold 0). In addition to a color frame, you can get any binary frame on any of 128 thresholds in the form of a black-and-white or monochrome frame. Both color and black and white frames are processed according to the standard method of binary forms.
Вышеописанное представление полноволновых форм выгодно отличается от широко распространенного способа «wiggle trасе - изображение амплитуд отклонениями)), когда волновые формы (wаvе fоrm) ужимаются в узкую ленту и из последовательного ряда таких лент набирается кадр . (В литературе принято называть полноволновые формы «тpaccaми» - перевод английского слова «trace».The above representation of full-waveforms compares favorably with the widespread method of “wiggle trace - image of amplitudes by deviations)), when the waveforms (wave form) are squeezed into a narrow tape and a frame is drawn from a consecutive row of such tapes. (In the literature, it is customary to call full-wave forms “traces” - a translation of the English word “trace”.
Таким образом, удачные технические решения в устройстве позволили реализовать оптимальные эксплуатационные характеристики.Thus, successful technical solutions in the device made it possible to realize optimal operational characteristics.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Изобретение применяется в геофизике и предназначено для исследования подповерхностной структуры почвы и обнаружения объектов до глубины в несколько десятков метров и несколько сот метров. Применимо также для решения научных и инженерных задач в различных областях, таких как геология, строительство, археология и т.д. The invention is used in geophysics and is intended to study the subsurface structure of the soil and detect objects to a depth of several tens of meters and several hundred meters. It is also applicable for solving scientific and engineering problems in various fields, such as geology, construction, archeology, etc.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, включающий формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя-ограничителя, получение волновой формы сигнала методом компарирования с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память, отличающийся тем:, что при предварительной обработке зарегистрированного сигнала для увеличения динамического диапазона регистрации с помощью многоразрядного ЦАП и блока управления аттенюатором формируют квазилогарифмическую шкалу квантования амплитуды сигнала, по логарифмической полноволновой форме зарегистрированного сигнала, представленной в виде последовательного ряда волновых форм сигнала в трехмерной форме - «aмплитyдa - время задержки - длина пpoфиля» с цветной кодировкой амплитуды сигнала, определяют значения диэлектрической постоянной и затухания сигнала в подстилающих слоях, по величине которых судят о наличии подповерхностных объектов, а для оперативного контроля на экран ЖКИ одновременно с кадром полноволновой формы сигнала выводят бинарный кадр, составленный из последовательного ряда полноволновых форм, выделенных при заданной величине порога. 1. A method of radar sounding of the underlying surface, including the formation of sounding pulses using a gas spark gap, their emission by a transmitting antenna, registration of reflected waves by a receiving antenna, preliminary processing of the registered signal in the receiving unit using an attenuator and an amplifier-limiter, obtaining a waveform of the signal by comparing with the threshold value set on the quantization scale, the output of information on the screen of a liquid crystal indicator (LCD) and recording it in the memory characterized in that: when pre-processing the registered signal to increase the dynamic range of registration using a multi-bit DAC and an attenuator control unit, a quasi-logarithmic scale of quantization of the signal amplitude is formed using the logarithmic full-waveform of the recorded signal, presented in the form of a series of three-dimensional waveforms of the signal - "Amplitude - delay time - profile length" with color coding of signal amplitude, dielectric values are determined eskoy constant and attenuation in the underlying layers, the magnitude of which is judged on the presence of subsurface objects, and for the operative control of the LCD screen frame simultaneously with the full-wave waveform outputted binary frame consisting of a succession of full-wave forms allocated for a given threshold value.
2. Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, содержащее передатчик, включающий последовательно соединенные таймер, и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные управляемый аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также устройство содержит панель управления, блок памяти и ЖКИ, отличающееся тем, что основной блок устройства, связанный с приемным блоком посредством кабеля, дополнительно содержит блок обработки, первый вход которого соединен с выходом основного усилителя, а второй - с выходом 7-разрядного ЦАП, а третий вход - с выходом контроллера, выход блока обработки соединен со входом контролера, соединенного также с блоком синхронизации, блоком памяти, панелью управления и ЖКИ, контроллер через 7-разрядный ЦАП соединен с блоком управления аттенюатором, который посредством кабеля соединен с управляемым аттенюатором антенного усилителя, при этом запуск передатчика осуществляется путем разрыва оптоэлектронной пары, связанной с панелью управления основного блока и преобразователем напряжения передатчика и выполненной в виде инфракрасного светодиода и фотоприемника. 2. Device for radar sensing of the underlying surface, comprising a transmitter including a serially connected timer, and a voltage converter connected to a power source, and a probe pulse generator on a gas spark gap, and a transmit antenna connected via a connector, a receiving unit including a receiving antenna connected in series and constructively connected in a separate unit of the antenna amplifier, a series-connected controlled attenuator and an amplifier-limiter connected to the first output of the synchronization unit, connected to the second output of the limiter amplifier, the main amplifier, as well as the device includes a control panel, a memory unit and an LCD, characterized in that the main unit of the device connected to the receiving unit via a cable further comprises a processing unit, whose first input is connected to the output of the main amplifier, and the second to the output of the 7-bit DAC, and the third input to the output of the controller, the output of the processing unit is connected to the input of the controller, also connected to the unit synchronization, memory unit, control panel and LCD, the controller via a 7-bit DAC is connected to an attenuator control unit, which is connected via a cable to a controlled attenuator of the antenna amplifier, while the transmitter is launched by breaking the optoelectronic pair connected to the control panel of the main unit and the converter transmitter voltage and made in the form of an infrared LED and photodetector.
PCT/RU2003/000150 2003-04-02 2003-04-10 Method for radar sounding an underlying surface and device for carrying out said method WO2004111685A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2003271240A AU2003271240A1 (en) 2003-04-02 2003-04-10 Method for radar sounding an underlying surface and device for carrying out said method

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003109226 2003-04-02
RU2003109226/28A RU2244322C1 (en) 2003-04-02 2003-04-02 Method and device for radiolocation sounding of underlaying surface

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2004111685A1 true WO2004111685A1 (en) 2004-12-23

Family

ID=33550546

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2003/000150 WO2004111685A1 (en) 2003-04-02 2003-04-10 Method for radar sounding an underlying surface and device for carrying out said method

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2003271240A1 (en)
RU (1) RU2244322C1 (en)
WO (1) WO2004111685A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112485836A (en) * 2020-11-11 2021-03-12 中国科学院空天信息创新研究院 Relevant identification data preprocessing method based on pseudo-random coding threshold optimization

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA009971B1 (en) * 2007-11-15 2008-04-28 Блаас Холдингс Лимитед Method for radiolocation sounding of underlying surface and device therefor -.a complex of georadar reconnaissance
RU2490672C1 (en) * 2012-02-29 2013-08-20 Закрытое акционерное общество "Таймер" Method for radar probing of underlying surface and apparatus for realising said method
RU2513671C1 (en) * 2012-10-16 2014-04-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" Method for radar location of objects in weakly conductive media
RU2550773C1 (en) * 2014-02-25 2015-05-10 Закрытое акционерное общество "Таймер" Method and system of ground penetrating radar logging
RU2570600C1 (en) * 2014-07-22 2015-12-10 Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП") Method for simulation when designing antennae
RU2707419C1 (en) * 2019-02-28 2019-11-26 Ярослав Викторович Савватеев Method for georadiolocation sounding and device for its implementation

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2080622C1 (en) * 1994-02-15 1997-05-27 Научно-производственное объединение информационного и физического приборостроения Device for radar probing of underlying surface
RU2105330C1 (en) * 1996-07-25 1998-02-20 Акционерное общество "Ассоциация "Радиоавионика" Geophysical radar
US6377201B1 (en) * 1998-06-03 2002-04-23 Science Applications International Corporation Radar and method therefor
US6462696B1 (en) * 1998-06-02 2002-10-08 Michael Gorman Radar apparatus

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2080622C1 (en) * 1994-02-15 1997-05-27 Научно-производственное объединение информационного и физического приборостроения Device for radar probing of underlying surface
RU2105330C1 (en) * 1996-07-25 1998-02-20 Акционерное общество "Ассоциация "Радиоавионика" Geophysical radar
US6462696B1 (en) * 1998-06-02 2002-10-08 Michael Gorman Radar apparatus
US6377201B1 (en) * 1998-06-03 2002-04-23 Science Applications International Corporation Radar and method therefor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112485836A (en) * 2020-11-11 2021-03-12 中国科学院空天信息创新研究院 Relevant identification data preprocessing method based on pseudo-random coding threshold optimization
CN112485836B (en) * 2020-11-11 2023-06-20 中国科学院空天信息创新研究院 Relevant identification data preprocessing method based on pseudorandom coding threshold optimization

Also Published As

Publication number Publication date
RU2244322C1 (en) 2005-01-10
AU2003271240A1 (en) 2005-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6617996B2 (en) Ground penetrating radar with audible output
US20120263018A1 (en) Underwater detection device and underwater detecting method
Flewellen et al. TOBI, a vehicle for deep ocean survey
RU2244322C1 (en) Method and device for radiolocation sounding of underlaying surface
RU2436130C2 (en) Method and system for radar probing earth interior
US20190265343A1 (en) Method of compressing sonar data
RU2490672C1 (en) Method for radar probing of underlying surface and apparatus for realising said method
RU2003109226A (en) METHOD OF RADAR SURVEYING OF SUBSTRATE SURFACE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
CN116291384A (en) Distributed optical fiber acoustic logging method and system
RU2816128C1 (en) Method for deep georadar and device for implementation thereof
RU2375729C1 (en) Geophysical radar
Bell et al. Acoustic measurements of sand ripple profile evolution under controlled wave conditions
JPS60263880A (en) Searching method of underground buried body
RU2154845C2 (en) Gear for remote sounding of surface layers of ground
JPH1020045A (en) Probe device for submarine buried structure
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
CN219657887U (en) Hidden engineering detection imaging device
CN211741171U (en) Scanning inversion device and three-dimensional imaging equipment
RU2248585C2 (en) Device for radar sounding of underlying surface
Cao et al. Measuring Thickness of Borehole Sediments by Using Ultrasonic Technology
RU2640291C1 (en) Device for radar sensing substrate surface
CN216792460U (en) Earth natural pulse electromagnetic field collecting device and equipment
Ivanov et al. Investigation of characteristics of cylindrical piezoceramic transducers used in systems for underwater monitoring and management
JPH0470588A (en) Underground inspection device
CN111060182B (en) Photoelectric wide-range sea wave period and wave height measuring system and measuring method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 2003271240

Country of ref document: AU

AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX NI NO NZ OM PH PL PT RO SD SE SG SK SL TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2003271240

Country of ref document: AU

122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP