Radarska detekcija i rezolucija. Radarska metoda za proučavanje naslaga treseta i sapropela. Gasnoanalitičke metode za praćenje uzoraka zraka i vozila na osnovu njih
Livšits M. Rezolucija mjernih instrumenata // Quantum. - 2002. - br. 3. - Str. 35-36.
Po posebnom dogovoru sa uredništvom i urednicima časopisa "Kvant"
Svi znaju da je mikroskop potreban da bi se, na primjer, izbrojao broj mikroba na pozornici, teleskop - da bi se izbrojile zvijezde na nebu, radar - da bi se odredio broj letjelica na nebu i udaljenosti do njima.
U ovom članku ćemo govoriti o najvažnijoj osobini fizičkih uređaja - njihovoj rezoluciji, tj. veličina najsitnijih detalja mjernih objekata koji se razlikuju tokom procesa mjerenja. Rezolucija je glavna karakteristika kvaliteta korišćenog merača (čak i važnija od tačnosti merenja). Na primjer, njegov kvalitet ne ovisi samo o povećanju mikroskopa. Ako mikroskopski uređaj ne pruža odvojenu percepciju dovoljno malih detalja objekta, onda se rezultirajuća slika neće poboljšati čak ni uz značajno povećanje povećanja. Dobićemo samo veću, ali jednako nejasnu sliku predmetnog objekta. Osim toga, same greške mjerenja mogu se odrediti tek nakon razrješenja, tj. nakon odabira ovog dijela objekta od drugih.
Pokazat ćemo koja fizička svojstva daljinskih (beskontaktnih) mjerača direktno utječu na rezoluciju dobivenu njihovim korištenjem i koje metode se mogu koristiti za poboljšanje rezolucije takvih uređaja.
Prvo, dajmo kvantitativnu procjenu. Što finiji detalji objekata mogu identifikovati određeni uređaj tokom procesa merenja, to je bolja (veća) njegova rezolucija. Za različite instrumente postoje različite definicije i različite formule za kvantifikaciju snage razlučivanja u zavisnosti od svrhe i metoda: na primjer, da li je rezolucija detalja objekta (mikroskop, dvogled, teleskop) ili pojedinačne linije u spektru emisije (prizma , difrakciona rešetka i drugi spektralni uređaji) procjenjuje se da li se koristi neovisnost opažanja i mjerenja koordinata više ciljeva (radar, sonar, životinjski eholokator) itd. Međutim, opšteprihvaćena osnova za kvantitativnu procenu rezolucije je Rayleighov kriterijum, prvobitno ustanovljen za slučaj odvojenog posmatranja dva tačkasta izvora svetlosti (rezolucija dvostrukih zvezda). Njegova generalizacija, koja omogućava korištenje ovog kriterija u različitim slučajevima, provodi se na sljedeći način.
Neka se ulazni efekat na mjerni uređaj sastoji od dva vrha razdvojena intervalom Δ x; u ovom slučaju, na izlazu uređaja iz svakog vrha dobija se "odziv" u obliku širenja X prasak konačne širine, koji karakteriše svojstva uređaja i naziva se hardverska funkcija (slika 1). Tada se Rayleighova rezolucija naziva minimalnim intervalom Δ x min između efekata dva pika, pri čemu ukupni odgovor i dalje ima oblik dvostruke krive (slika 2, a). Ako smanjimo Δ x, vrh ukupnog praska je spljošten i rafali se spajaju u jedan (slika 2, b).
Koji parametri valova koji se koriste u daljinskim senzorima određuju rezoluciju? Ispostavilo se da je ovaj parametar stepen koherentnosti talasa (latinska reč "koherentan" znači "povezan").
Prvo, sjetimo se koherentnosti oscilacija. Oscilacije se nazivaju koherentnim ako fazne razlike i omjeri amplituda oscilacija ostaju konstantni kroz vrijeme promatranja. U najjednostavnijem slučaju, dvije sinusoidalne oscilacije \(~A \cos (\omega t + \alpha)\) i \(~B \cos (\omega t + \beta)\) su koherentne, gdje je A, IN, α I β - konstantne vrijednosti. Pošto su talasni procesi određeni oscilacijama u svim tačkama u prostoru gde ovi talasi postoje, neophodan uslov za koherentnost talasa je koherentnost oscilacija koje se javljaju u svakoj datoj tački talasa tokom vremena posmatranja.
Općenitija i sažetija definicija talasne nekoherentnosti je da će snopovi svjetlosti ili drugi valovi biti nekoherentni ako se fazna razlika između oscilacija u svim tačkama u prostoru gdje ovi valovi koegzistiraju mijenja više puta i nepravilno tokom vremena posmatranja.
Sada ćemo pokušati da uspostavimo vezu između rezolucije merača i stepena koherentnosti talasa. To se najjasnije može učiniti na primjeru radara - metode određivanja lokacije objekata pomoću radio valova.
Prisjetimo se ukratko principa rada pulsne radarske stanice (radara). Slika 3 prikazuje blok dijagram radara. Evo 1 - predajnik, 2 - antenski prekidač, 3 - antena, 4 - dijagram zračenja antene, 5 - prijemnik, 6 - indikator. Radarski odašiljač, koristeći usko usmjerenu antenu, periodično zrači prostor kratkotrajnim nizovima radio valova (tzv. sondirajućih, odnosno "sondirajućih" impulsa). Rotacijom antene (ili drugim metodama) mijenja se smjer zračenja radio-talasa i na taj način se vrši sekvencijalno sondiranje većeg ili manjeg sektora prostora (ili kružni prikaz). Impulsi reflektovani od različitih ciljeva stižu (obično preko iste antene) do radarskog prijemnika. U ovom slučaju, određivanje ugaonih koordinata ciljeva zasniva se na upotrebi antenskog zračenja i šema prijema. Rasponu D proizvedeno mjerenjem vremena kašnjenja t zap dolaska impulsa reflektovanog od cilja u odnosu na trenutak emisije sondirajućeg impulsa:
\(~D = \frac(c t_(zap))(2)\) ,
Gdje c- brzina svetlosti. Dvoje u nazivniku se pojavljuje jer je vrijeme kašnjenja zbroj vremena potrebnog impulsu sondiranja da stigne do cilja i isto vrijeme da reflektirani impuls stigne do radara.
Ugaona rezolucija radara je najmanja kutna razlika Δ α između smjerova na dvije mete koje se nalaze na istom dometu, na kojima se reflektirani impulsi od njih promatraju odvojeno. Lako je vidjeti da to odgovara najjednostavnijem slučaju prostorne nekoherentnosti: oni ciljevi su razriješeni (uglom) koji ne mogu biti istovremeno pogođeni "osvjetljavajućim" radarskim zračenjem, jer se smjerovi na njima razlikuju po širini zračenja antene. uzorak (slika 4).
Rezolucija dometa radara je najmanja udaljenost δ r između dva cilja smještena u istom smjeru, u kojem se posmatraju odvojeno. U takozvanim klasičnim radarima, sinusoidni talasni niz konstantne amplitude korišćen je kao sondirajući impuls. To se posebno objašnjava činjenicom da je takav vlak lako stvoriti: dovoljno je nakratko primijeniti konstantan visoki napon na visokofrekventni generator (na primjer, magnetron). Ujednačenost strukture vlaka dovodi do činjenice da će valovi reflektirani od različitih ciljeva imati istu frekvenciju (ako se kreću prema radaru istom brzinom ili ako se Doplerov efekat može zanemariti), unutar međusobnog preklapanja reflektovanog impulsi će biti koherentni, a mete će biti potpuno odvojene, neće raditi. Impulsi reflektovani od dva cilja će biti nekoherentni samo kada se ne poklapaju u vremenu dolaska na radarski prijemnik i stoga se ne preklapaju na ekranu indikatora (slika 5).
Dakle, rezolucija dometa ovih radara je
\(~\delta r = \frac(c \tau)(2)\) ,
Gdje τ - trajanje pulsa. Možemo reći da se u razmatranom radaru nekoherentnost reflektiranih signala koji dolaze od različitih ciljeva pojavljuje u svom najjednostavnijem obliku: kao odsustvo njihove podudarnosti u vremenu.
Kao što se može vidjeti iz posljednje formule, za povećanje rezolucije raspona potrebno je smanjiti trajanje impulsa τ . Ali to neizbježno dovodi do odgovarajućeg proširenja frekvencijskog pojasa. Činjenica je da, s jedne strane, postoji fundamentalna veza između trajanja τ signal (na primjer, slomljena sinusoida) i širina Δ ν njegov spektar (na frekvencijskoj skali), u kojem je koncentrisana glavna energija impulsa:
\(~\Delta \nu \približno \frac(1)(\tau)\) .
S druge strane, sasvim je jasno da je domet detekcije cilja određen energijom sondirajućeg, a samim tim i povratnog impulsa. To znači da kada se puls skrati, potrebno je u skladu s tim povećati i snaga predajnika, što nije lak zadatak.
U potrazi za izlazom iz ove situacije, radari su krenuli putem povećanja propusnog opsega impulsa bez promjene njegovog trajanja: prelaskom sa sinusoidalne na složeniju unutrašnju strukturu sondirajućeg impulsa. Tako su se pojavili radari sa linearno frekvencijsko moduliranim (čirp) sondirajućim impulsima (slika 6). U ovom slučaju, ispada da odnos između trajanja i širine signala više neće važiti za trajanje impulsa τ imp i za vrijeme koherencije τ kog:
\(~\tau_(kog) \približno \frac(1)(\Delta \nu)\) , gdje je \(~\Delta \nu >> \frac(1)(\tau_(imp))\).
Istina, u tu svrhu se u radarski prijemnik uvodi dodatni specijalni filter, uz pomoć kojeg se primljeni impuls kompresuje na određeno trajanje τ s = τ kog. Sada će impulsi na radarskom ekranu biti razdvojeni na mnogo manjoj udaljenosti između ciljeva nego što je to bio slučaj kada se koristi sinusoidni impuls:
\(~\delta r = \frac(c \tau_s)(2)<< \frac{c \tau_{imp}}{2}\) ,
Ovo potvrđuje neraskidivu vezu između rezolucije daljinskog merača i stepena koherentnosti talasa: da bi se povećala (poboljšala) rezolucija merača, neophodno je pogoršati koherentnost talasa koji se koriste.
Zanimljivo je da je u živoj prirodi razvoj u ovom pravcu otišao i dalje. Na primjer, uz slepe miševe, čiji eholokatori koriste i sondirajuće impulse cvrkuta, postoje takozvani “šaptači” slepi miševi koji koriste još više širokopojasnih impulsa šuma, tj. visokofrekventni impulsi modulirani "bijelim" šumom. Oni detektuju mete sa znatno nižim snagama zračenja, a istovremeno pružaju bolju zaštitu svojih lokatora od smetnji, posebno od međusobnih smetnji koje nastaju kada velike grupe ovih slepih miševa istovremeno love insekte.
Pronalazak se odnosi na oblast radarskog otkrivanja pomoću pojedinačnih ultra-širokopojasnih (UWB) impulsnih signala i može se koristiti pri sondiranju nekoliko obližnjih objekata, na primjer slojeva asfaltnog kolovoza. Metoda se sastoji u emitovanju radio pulsa sonde N-lobe, kontinuiranom primanju reflektovanog signala, integrisanju N-1 puta u odabranom vremenskom prozoru, detekciji i evaluaciji signala sa objekata proučavanja. Postignuti tehnički rezultat pronalaska je povećanje tačnosti rezolucije UWB sensinga. 6 ill.
Pronalazak se odnosi na oblast radarskog otkrivanja korišćenjem ultraširokopojasnih (UWB) impulsnih signala sa trajanjem T i može se koristiti pri sondiranju više objekata, rastojanje između kojih je L uporedivo sa cT, gde je c brzina svetlosti u mediju , tj. u uslovima kada se signali reflektovani od nekoliko objekata proučavanja međusobno preklapaju. Ovaj problem nastaje, na primjer, pri sondiranju podzemnih slojeva tla, posebno višeslojnih asfaltnih putnih površina.
Poznato je, strana 24, da svaki signal S(t) koji može biti emitovan od strane antene mora zadovoljiti uslov: uključujući i jedan multi-lobni UWB sondirajući signal radara.
Prilikom korištenja UWB radarskog sensinga nekoliko obližnjih istraživačkih objekata, javlja se problem rješavanja signala primljenih od jednog i drugog objekta. Ovaj problem se pogoršava prisustvom smetnji, nesavršenom opremom za prenos i prijem i mnogim drugim faktorima.
Tradicionalni način predobrade radarskog signala reflektiranog od objekta proučavanja je njegova detekcija – odabir niskofrekventne funkcije – amplitudnog (kompleksnog) omotača radio impulsa. Kada se radi sa UWB signalima, amplituda envelope UWB signala dobijena pomoću Hilbertove transformacije ne odražava uvijek ispravno karakteristike njegovog oblika str.17. U ovom slučaju se ne ostvaruje potencijalno visoka rezolucija UWB signala.
Poznati patent RU 2141674 - metoda ultra-širokopojasnog radarskog otkrivanja, koja se sastoji u emitiranju impulsa s jedne antene, primanju ovog impulsa drugom - udaljenom antenom, primljeni impuls se odlaže, ponovno zrači i prima od strane antene koja se nalazi na adresi mjesto primarnog zračenja. Ova metoda omogućava da se signali primljeni od antene i od okolnih strukturnih elemenata razdvoje u vremenu. Ovom metodom problem rezolucije se rješava vremenskim odvajanjem reflektiranih signala.
Nedostatak ove metode je ograničeni opseg primjene zbog činjenice da se rijetko javlja mogućnost umjetnog odvajanja u vremenu reflektiranih signala od nekoliko objekata proučavanja.
Najbliži metodi za koju se tvrdi da emituju radio puls sa N-režnjem, kontinuirano primaju reflektovani signal u odabranom vremenskom prozoru, detektuju i procenjuju signale sa objekata proučavanja. Da biste riješili problem rješavanja, odredite:
Direktan prenos signala od emitivne do prijemne antene (pri sondiranju otvorenog prostora), koji se oduzima od primljenog signala tokom naknadnog sondiranja okoline;
Signal ukupne refleksije pri sondiranju metalnog lima, koji se koristi za kalibraciju narednih sondiranja.
Prednji signal se oduzima od signala primljenog od istraživačkih objekata. Najbliži odziv se zatim detektuje jedan po jedan i, uzimajući u obzir slabljenje poznatog signala ukupne refleksije, oduzima se od primljenog signala. Dakle, teoretski je moguće riješiti primljene signale.
Nedostatak ove metode je niska preciznost. Prvo, signal koji prolazi kroz medij mijenja frekvencijski spektar, a time i ne samo amplitudu, već i njegov oblik. Kao rezultat toga, ispada da je neprikladno koristiti signal ukupne refleksije kao kalibracijski signal. Drugo, rekurzivna priroda obrade, u kojoj se svaki novi objekt otkriva na osnovu rezultata detekcije prethodnog, dovodi do gomilanja grešaka.
Problem riješen ovim izumom je povećanje rezolucije UWB sensinga reflektovanog od obližnjih objekata, a samim tim i dobijanje više i kvalitetnije informacije od radarskog sensinga.
Za rješavanje problema postavljenog u metodi za povećanje rezolucije ultraširokopojasnog radarskog sensinga, koja se sastoji u emitiranju radio pulsa sonde N-lobe, kontinuiranom primanju reflektiranog signala u odabranom vremenskom prozoru, otkrivanju i evaluaciji signala sa objekata proučavanja , integrišući reflektovani signal u odabranom vremenskom prozoru N -1 vreme, i koriste rezultate integracije za detekciju i evaluaciju signala sa objekata proučavanja.
Značajna razlika između predložene metode i prototipa je u tome što se pri sondiranju radio impulsom N-režnja reflektirani signal integriše u odabrani vremenski okvir N-1 puta.
Prototip koristi operaciju oduzimanja poznatih odgovora od primljenog signala.
Upotreba N-1 višestruke integracije, linearne metode za pretvaranje primljenih signala, omogućava vam da konvertujete njihovu vremensku strukturu sa više režnjeva u jednostruku. Na slici 1 se vidi da radio puls sa tri režnjeva nakon jednog sondiranja postaje dvorežni, a nakon druge integracije - jednorežni. Kada bi takav impuls mogla emitovati antena, tada bi zadatak rješavanja obližnjih objekata bio uvelike pojednostavljen. Integracija primljenog signala za linearni sistem je ekvivalentna integraciji ulaznog signala. Dakle, integracija izlaznog signala uvelike pojednostavljuje rezoluciju obližnjih objekata.
Inventivni metod je ilustrovan sledećim grafičkim materijalima.
Slika 1 - rezultati sekvencijalne integracije signala sa tri lopatice.
Slika 2 - djelomični signali reflektirani od tri objekta.
Slika 3 - ukupni signal reflektovan od tri objekta.
Slika 4 je rezultat jedne integracije reflektovanog signala.
Slika 5 je rezultat dvostruke integracije reflektiranog signala.
Razmotrimo mogućnost implementacije predložene metode.
Za radarsko sondiranje mogu se koristiti pojedinačni radio impulsi sa malim brojem vremenskih režnjeva N=2-5, na primjer, trolobni impuls S(t), prikazan na sl.1. Takvi signali imaju UWB spektar. Njihova obrada je moguća u frekvencijskom ili vremenskom domenu. U oba slučaja potrebno je detektovati signale reflektovane od objekata proučavanja, proceniti njihovu amplitudu, polaritet, vremenski položaj i druge parametre. Takva sondiranja se koriste, na primjer, u proučavanju slojeva površine ceste. U ovom slučaju, predmet proučavanja su granice slojeva prevlake, koji reflektuju sondirajući signal i imaju različite dielektrične konstante ε. U zavisnosti od odnosa dielektričnih konstanti ε medija, reflektovani signali mogu imati različite polaritete.
Ako se objekti proučavanja (slojevi površine ceste) nalaze blizu jedan drugom, tada se reflektirani signali međusobno preklapaju. Na slici 2 prikazani su parcijalni signali S 3i (t), (i=1, 2, 3), reflektovani od tri različita sloja. Svaki od njih ima svoju amplitudu i oblik. Signal S 32 (t) ima obrnuti polaritet. Ukupni reflektovani signal S 3 (t)=S 31 (t)+S 32 (t)+S 33 (t), slika 3, je od male koristi za analizu. Da bi se riješio problem rezolucije, moguće je smanjiti trajanje sondirajućeg signala S(t), ali će to dovesti do neopravdanog povećanja troškova razvoja ili do tehničke neizvodljivosti.
Pojedinačna integracija signala reflektovanog od objekata Slika 4 ne rješava problem rezolucije, već reintegraciju Slika 5 nam omogućava da prilično precizno procenimo vremenski položaj, polaritet i amplitudu reflektovanih signala. Ova procjena se može dobiti vizualno ili pomoću kompjutera.
Imajte na umu da je uz pomoć predložene linearne transformacije moguće obnavljanje omjera amplituda parcijalnih signala i udaljenosti između njih čak i u slučaju kada signali kasne jedan u odnosu na drugi za vrijeme manje od trajanja signala. period centralnog harmonika spektra signala, tj. u uslovima realizacije potencijalne rezolucije dometa.
Dakle, predložena metoda omogućava UWB radarsko detektiranje objekata proučavanja, približavajući se potencijalnoj rezoluciji.
Razmotrimo mogućnost praktične implementacije predložene metode. Slika 6 prikazuje dijagram uređaja koji implementira predloženu metodu, gdje je:
1. Generator UWB signala.
2. Predajna antena.
3. Prijemna antena.
4. Višeslojni medij koji se proučava.
5. Stroboskopski prijemnik.
6. Kontrolirana linija kašnjenja.
7. Analogno-digitalni pretvarač (ADC).
8. Računar.
Signal sa računara 8 pokreće generator UWB signala 1, koji emituje antena 2. UWB signal reflektovan od višeslojnog medija 4 koji se proučava ulazi u antenu 3. Linija kašnjenja 6, koju kontroliše računar 8, pokreće stroboskopski prijemnik 5, koji bira jednu trenutnu amplitudu reflektovanog signala. Analogno-digitalni pretvarač 7 pretvara ovu vrijednost u kod koji čita računar 8. Početna frekvencija generatora 1 može biti desetine kiloherca, što ne zahtijeva ADC 7 velike brzine. Vrijednost kašnjenja 6 postavlja prozor prijema i položaj referentne tačke u njemu. Ponavljanjem mjerenja više puta, možete izračunati prosjek vrijednosti ovog uzorka reflektiranog signala, a promjenom vrijednosti kašnjenja možete dobiti cjelokupnu implementaciju reflektiranog signala u odabranom vremenskom prozoru tačno na skalu-vrijeme transformacija. Tako se, kao rezultat ponovljenog sondiranja, trenutne amplitude reflektiranog signala u prijemnom prozoru pohranjuju u memoriju računala 8. Integracija dobijenih digitalnih uzoraka se vrši sekvencijalnim zbrajanjem uzoraka, a višestruka integracija sekvencijalnom primenom ovog postupka. Na slikama 1-5, apscisa osa pokazuje brojeve uzoraka UWB signala. Dobijeni rezultati integracije mogu se obraditi vizuelno od strane operatera ili poznatim metodama obrade u računaru 8.
Dakle, predložena metoda je tehnički izvodljiva i omogućava povećanje rezolucije ultraširokopojasnog radarskog senzora.
Spisak korišćene literature
1. Astanin L.Yu., Kostylev A.A. Osnove ultraširokopojasnih radarskih mjerenja. - M.: Radio i veze, 1989. - 192 str.: ilustr.
2. Patent RU 2141674.
3. Patent FR 2626666.
4. Teorijske osnove radara / Ed. V.E. Dulevič. - M.: Sov. radio, 1978. - 608 str.
Metoda za povećanje rezolucije ultraširokopojasnog radarskog sensinga, koja se sastoji u emitovanju radio pulsa sonde N-loba, gdje je N = 2, 3, 4, 5..., kontinuiranog primanja reflektiranih signala u odabranom vremenskom prozoru, detektiranja signale sa objekata proučavanja, mjerenje i vrednovanje parametara signala reflektiranih od objekata proučavanja, koji se karakteriziraju time što se sondiranje objekta proučavanja radio impulsom N-režnja vrši više puta; prilikom prijema reflektiranih signala, kontrolira se vrednost kašnjenja postavlja prijemni prozor sa mogućnošću dobijanja celokupne implementacije reflektovanog signala u izabranom vremenskom prozoru i poziciju referentne tačke u Integriše primljene uzorke reflektovanog signala u izabranom vremenskom prozoru prijema N-1 puta, pretvarajući N-režnju vremensku strukturu signala u jednolobnu, obezbeđujući rezoluciju obližnjih objekata proučavanja, a koristi rezultate integracije za detekciju objekata proučavanja, merenje i procenu parametara signala sa objekata proučavanja.
Slični patenti:
Pronalazak se odnosi na radiotehniku, uglavnom na radar stacionarnih objekata, a posebno se može koristiti za podzemno sendiranje.
Pronalazak se odnosi na radar kratkog dometa i može se koristiti u autonomnim upravljačkim sistemima za kretanje interagujućih objekata za merenje ugla kontakta koncentrisanog vazdušnog cilja na ograničenim udaljenostima pomoću aktivnog radara koji se nalazi na avionu.
Pronalazak se odnosi na radar kratkog dometa i može se koristiti za merenje ugla susreta vazduhoplova sa koncentrisanim vazdušnim ciljem u uređajima za autonomnu kontrolu kretanja interakcionih objekata na ograničenim udaljenostima.
Pronalazak se odnosi na radiotehniku i može se koristiti u pasivnim sistemima radio nadzora za identifikaciju, određivanje pravca i određivanje lokacije zemaljskih i vazdušnih objekata po emisijama njihovih UHF predajnika pri korišćenju jedne prijemne stanice.
Kratak opis i primjeri primjene metode
Metoda georadarskog podzemnog sensinga (u opšteprihvaćenoj terminologiji je georadar; u engleskoj literaturi ova metoda se naziva “Ground Penetrating Radar” ili GPR.) zasniva se na proučavanju širenja elektromagnetnih talasa u mediju. Ideja metode je da emituje impulse elektromagnetnih talasa i snima signale reflektovane sa interfejsa između slojeva ispitivanog medija koji imaju razliku u dielektričnoj konstanti. . Takve sučelje u proučavanim sredinama su, na primjer, kontakt između suhih i vlažnih tla (nivo podzemnih voda), kontakti između stijena različitog litološkog sastava, između stijena i materijala umjetne strukture, između smrznutog i odmrznutog tla, između temeljnih stijena i rastresito kamenje, itd. d. (dijagram formiranja talasnog uzorka je prikazan na sl.).
Shema formiranja difraktiranog elektromagnetnog vala iz cijevi koja se nalazi na dubini H i vala reflektiranog od granice između medija s različitim dielektričnim konstantama: dubinskim (a.) i vremenskim (b.) presjecima.
Svi problemi koji se rješavaju uz pomoć radara za prodor u zemlju mogu se podijeliti u dvije velike grupe sa metodama istraživanja, metodama obrade, vrstama prikaza istraživačkih objekata u oblasti elektromagnetnih valova i prikazivanjem rezultata karakterističnih za svaku grupu. Prva grupa uključuje geološke, hidrogeološke i geotehničke poslove, kao što su mapiranje:
- temeljne površine ispod rastresitih sedimenata;
- nivoi podzemnih voda i granice između slojeva sa različitim stepenom zasićenosti vodom;
- pijesak, glina, treset, itd.;
- smrznuta tla;
- određivanje debljine sloja vode i kartiranje podnožnih sedimenata;
- debljine leda i snega.
Druga grupa zadataka uključuje potragu za lokalnim objektima, inspekciju inženjerskih konstrukcija, kršenje normalne situacije, na primjer:
- traženje podzemnih šupljina;
- pregled mostova i putnih površina;
- mapiranje komunikacija (cijevovodi i kablovi);
- pregled betonskih konstrukcija;
- slana tla;
- dijelovi dionice sa poremećenom prirodnom pojavom tla - meliorirano zemljište, zatrpani iskopi.
To. Trenutno, GPR se široko koristi u istraživanjima na relativno malim dubinama ciljanih objekata (0,2 - 15 metara), s izuzetkom proučavanja glečera i smrznutih stijena, u kojima se, zbog velikog otpora, dubina povećava.
Georadar je digitalni, prenosivi geofizički uređaj koji nosi jedan operater, dizajniran za rješavanje širokog spektra geotehničkih, geoloških, ekoloških, inženjerskih i drugih problema gdje postoji potreba za operativnim praćenjem okoliša, dobijanjem dijelova tla koji ne zahtijevaju bušenje. ili iskopavanje. Tokom sondiranja, operater prima informacije u realnom vremenu na displeju u obliku radarskog profila (koji se naziva radargram). Istovremeno, podaci se snimaju na hard disk računara za dalju upotrebu (obrada, štampanje, interpretacija itd.).
Set zamjenjivih antenskih modula pruža mogućnost sondiranja u širokom frekventnom opsegu (16 - 2000 MHz). Upotreba određenog antenskog sistema određena je problemom koji se rješava tokom sondiranja. Povećanje frekvencije sondiranja dovodi do poboljšane rezolucije; ali istovremeno se povećava slabljenje elektromagnetnog vala u mediju, što dovodi do smanjenja dubine sondiranja; obrnuto, smanjenjem frekvencije, možete povećati dubinu sondiranja, ali ćete morati platiti za to pogoršanjem rezolucije. Osim toga, kako se frekvencija smanjuje, povećava se početna zona neosjetljivosti (tzv. mrtva zona) georadara.
Ispod je tabela zavisnosti rezolucije, mrtve zone i dubine sondiranja u zavisnosti od antene koja se koristi. Pretpostavlja se da se sondira tlo s relativnom dielektričnom konstantom 4 i specifičnim slabljenjem od 1-2 dB/metar. Pod dubinom podrazumijevamo dubinu detekcije ravne granice sa koeficijentom refleksije 1. Treba imati na umu da su ovi podaci vrlo približni, jako zavise od parametara ispitivane sredine.
Parametar | Centralna frekvencija | ||||||
2 GHz | 900 MHz | 500 MHz | 300 MHz | 150 MHz | 75 MHz | 38 MHz | |
Rezolucija, m | 0.06 — 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1.0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
Mrtva zona, m | 0.08 | 0.1-0.2 | 0.25-0.5 | 0.5-1.0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
Dubina, m | 1.5-2 | 3-5 | 7-10 | 10-15 | 7-10 | 10-15 | 15-30 |
Moderni GPR-i su dizajnirani za rad u teško dostupnim područjima sa nepovoljnom klimom i mogu se koristiti u bilo koje doba godine (radna temperatura GPR-a -20...+40°C).
Ispod su primjeri primjene metode za rješavanje nekih (vrlo malo) problema.
Otkriće tri metalne cijevi zakopane u zemlju do dubine od 1 - 1,5 metara. Svaka cijev daje signal putanje u obliku hiperbole, čiji vrh odgovara njenoj lokaciji. Frekvencija sondiranja 900 MHz. Zvučna lokacija - blizu Daugavpilsa, Latvija. | |
Otkriće kraške šupljine u krečnjaku ispod sloja ilovače. Na lijevoj strani profila vidljiva je šupljina (zaokružena) u obliku naizmjeničnih pruga. Ilovača je prikazana na vrhu kao kontinuirani signal. Frekvencija sonde 300 MHz. Mjesto sondiranja je obala Mrtvog mora, Izrael. | |
Ispitivanje zida od cigle. Na sredini profila jasno je vidljiv signal iz metalnog ormarića ugrađenog u zid. Frekvencija sonde 2 GHz. Lokacija sondiranja: Riga, Latvija. | |
Profiliranje jezera sa dna plastičnog čamca. Korištena je oklopljena antena od 500 MHz. Metalni predmeti su vrlo jasno vidljivi u mulju (označeno na slici kao MO). | |
Ovaj profil je dobijen sondiranjem zida nanosa rudnika soli. Jasno su vidljivi signali u obliku mnogih hiperbola iz susjednog drifta. Udaljenost između nanosa je približno 7,5 metara. Frekvencija sonde 500 MHz. Lokacija sondiranja: Mirny, Rusija. |
30 /11
2018
Primjena laserskog skeniranja u informacionom modeliranju zgrada
Savremeni problemi koji se javljaju u projektovanju, izgradnji i eksploataciji zgrada i objekata zahtevaju prikaz podataka u trodimenzionalnom prostoru, koji sa velikom preciznošću i potpunošću opisuje relativni položaj delova zgrada, objekata, situaciju i reljef.
Pronalazak se odnosi na oblast radarskog otkrivanja pomoću pojedinačnih ultra-širokopojasnih (UWB) impulsnih signala i može se koristiti pri sondiranju nekoliko obližnjih objekata, na primjer slojeva asfaltnog kolovoza. Metoda se sastoji u emitovanju radio pulsa sonde N-lobe, kontinuiranom primanju reflektovanog signala, integrisanju N-1 puta u odabranom vremenskom prozoru, detekciji i evaluaciji signala sa objekata proučavanja. Postignuti tehnički rezultat pronalaska je povećanje tačnosti rezolucije UWB sensinga. 6 ill.
Crteži za RF patent 2348945
Pronalazak se odnosi na oblast radarskog otkrivanja korišćenjem ultraširokopojasnih (UWB) impulsnih signala sa trajanjem T i može se koristiti pri sondiranju više objekata, rastojanje između kojih je L uporedivo sa cT, gde je c brzina svetlosti u mediju , tj. u uslovima kada se signali reflektovani od nekoliko objekata proučavanja međusobno preklapaju. Ovaj problem nastaje, na primjer, pri sondiranju podzemnih slojeva tla, posebno višeslojnih asfaltnih putnih površina.
Poznato je, str. 24, da svaki signal S(t) koji može emitovati antena mora zadovoljiti uslov: uključujući jedan multi-lobe UWB radarski sondirajući signal.
Prilikom korištenja UWB radarskog sensinga nekoliko obližnjih istraživačkih objekata, javlja se problem rješavanja signala primljenih od jednog i drugog objekta. Ovaj problem se pogoršava prisustvom smetnji, nesavršenom opremom za prenos i prijem i mnogim drugim faktorima.
Tradicionalni način predobrade radarskog signala reflektiranog od objekta proučavanja je njegova detekcija – odabir niskofrekventne funkcije – amplitudnog (kompleksnog) omotača radio impulsa. Kada se radi sa UWB signalima, amplituda envelope UWB signala dobijena pomoću Hilbertove transformacije ne odražava uvijek ispravno karakteristike njegovog oblika str.17. U ovom slučaju se ne ostvaruje potencijalno visoka rezolucija UWB signala.
3. Patent FR 2626666.
4. Teorijske osnove radara / Ed. V.E. Dulevič. - M.: Sov. radio, 1978. - 608 str.
TVRDITI
Metoda za povećanje rezolucije ultraširokopojasnog radarskog sensinga, koja se sastoji u emitovanju radio pulsa sonde N-loba, gdje je N = 2, 3, 4, 5..., kontinuiranog primanja reflektiranih signala u odabranom vremenskom prozoru, detektiranja signale sa objekata proučavanja, mjerenje i vrednovanje parametara signala reflektiranih od objekata proučavanja, koji se karakteriziraju time što se sondiranje objekta proučavanja radio impulsom N-režnja vrši više puta; prilikom prijema reflektiranih signala, kontrolira se vrednost kašnjenja postavlja prijemni prozor sa mogućnošću dobijanja celokupne implementacije reflektovanog signala u izabranom vremenskom prozoru i poziciju referentne tačke u Integriše primljene uzorke reflektovanog signala u izabranom vremenskom prozoru prijema N-1 puta, pretvarajući N-režnju vremensku strukturu signala u jednolobnu, obezbeđujući rezoluciju obližnjih objekata proučavanja, a koristi rezultate integracije za detekciju objekata proučavanja, merenje i procenu parametara signala sa objekata proučavanja.