Radarføling og oppløsning. Radarmetode for å studere torv- og sapropellavsetninger. Gassanalysemetoder for overvåking av luftprøver og kjøretøy basert på dem
![Radarføling og oppløsning. Radarmetode for å studere torv- og sapropellavsetninger. Gassanalysemetoder for overvåking av luftprøver og kjøretøy basert på dem](https://i2.wp.com/physbook.ru/images/1/1e/Img_Kvant-2002-03-014.jpg)
Livshits M. Oppløsning av måleinstrumenter // Quantum. - 2002. - Nr. 3. - S. 35-36.
Etter særskilt avtale med redaksjonen og redaktørene av tidsskriftet "Kvant"
Alle vet at det trengs et mikroskop for for eksempel å telle antall mikrober på en scene, et teleskop - for å telle stjernene på himmelen, en radar - for å bestemme antall fly på himmelen og avstandene til dem.
I denne artikkelen vil vi snakke om den viktigste egenskapen til fysiske enheter - deres oppløsning, dvs. størrelsen på de minste detaljene til måleobjekter som skilles ut under måleprosessen. Det er oppløsningen som er hovedkarakteristikken for kvaliteten på måleren som brukes (enda viktigere enn målingsnøyaktigheten). For eksempel avhenger kvaliteten ikke bare av forstørrelsen til et mikroskop. Hvis mikroskopenheten ikke gir separat oppfatning av tilstrekkelig små detaljer av objektet, vil det resulterende bildet ikke forbedres selv med en betydelig økning i forstørrelsen. Vi får bare et større, men like uklart bilde av det aktuelle objektet. I tillegg kan selve målefeilene først bestemmes etter oppløsning, d.v.s. etter å ha valgt denne delen av objektet fra andre.
Vi vil vise hvilke fysiske egenskaper til eksterne (kontaktfrie) målere som direkte påvirker oppløsningen som oppnås når du bruker dem, og hvilke metoder som kan brukes for å forbedre oppløsningen til slike enheter.
La oss først gi en kvantitativ vurdering. Jo finere detaljene til objekter kan identifiseres av en gitt enhet under måleprosessen, jo bedre (høyere) er oppløsningen. For forskjellige instrumenter er det forskjellige definisjoner og forskjellige formler for å kvantifisere oppløsningskraft avhengig av formål og metoder: for eksempel om oppløsningen av detaljene til et objekt (mikroskop, kikkert, teleskop) eller individuelle linjer i emisjonsspekteret (prisme) , diffraksjonsgitter og andre spektrale enheter) vurderes ), om uavhengighet av observasjon og måling av koordinater for flere mål brukes (radar, ekkolodd, dyreekkolokator), etc. Imidlertid er det generelt aksepterte grunnlaget for kvantitativ vurdering av oppløsning Rayleigh-kriteriet, opprinnelig etablert for tilfellet med separat observasjon av topunktslyskilder (oppløsning av dobbeltstjerner). Generaliseringen, som gjør at dette kriteriet kan brukes i en rekke tilfeller, utføres som følger.
La inngangseffekten på måleapparatet bestå av to topper atskilt med et intervall Δ x; i dette tilfellet, ved utgangen av enheten fra hver topp oppnås en "respons" i form av en mer spredt ut X et utbrudd av begrenset bredde, som karakteriserer egenskapene til enheten og kalles maskinvarefunksjonen (fig. 1). Da kalles Rayleigh-oppløsningen minimumsintervallet Δ x min mellom effektene av to topper, hvor den totale responsen fortsatt har form av en dobbelpuklet kurve (fig. 2, a). Hvis vi reduserer Δ x, blir toppen av det totale utbruddet flatt ut og utbruddene smelter sammen til ett (fig. 2, b).
Hvilke parametere for bølgene som brukes i eksterne sensorer bestemmer oppløsningen? Det viser seg at denne parameteren er graden av koherens av bølgene (det latinske ordet "koherent" betyr "koblet").
Først, la oss huske sammenhengen mellom svingninger. Oscillasjoner kalles koherente hvis faseforskjellene og amplitudeforholdene til oscillasjonene forblir konstante gjennom hele observasjonstiden. I det enkleste tilfellet er to sinusformede oscillasjoner \(~A \cos (\omega t + \alpha)\) og \(~B \cos (\omega t + \beta)\) koherente, hvor EN, I, α Og β - konstante verdier. Siden bølgeprosesser bestemmes av oscillasjoner på alle punkter i rommet der disse bølgene eksisterer, er en nødvendig betingelse for koherensen av bølger koherensen av svingninger som oppstår ved hvert gitt punkt av bølgen i løpet av observasjonstiden.
En mer generell og kortfattet definisjon av bølgeinkoherens er at lysstråler eller andre bølger vil være usammenhengende dersom faseforskjellen mellom oscillasjonene på alle punkter i rommet hvor disse bølgene eksisterer side om side endres gjentatte ganger og uregelmessig i løpet av observasjonstiden.
Nå skal vi prøve å etablere en sammenheng mellom oppløsningen til måleren og graden av bølgekoherens. Dette kan gjøres tydeligst ved å bruke eksemplet med radar - en metode for å bestemme plasseringen av objekter ved hjelp av radiobølger.
La oss kort huske driftsprinsippet til en pulsradarstasjon (radar). Figur 3 viser et blokkskjema over radaren. Her 1 - sender, 2 - antennebryter, 3 - antenne, 4 - antennestrålingsmønster, 5 - mottaker, 6 - indikator. Radarsenderen, ved hjelp av en smalt rettet antenne, bestråler med jevne mellomrom rommet med kortsiktige tog av radiobølger (den såkalte sonderingen, dvs. "sondering"-pulser). Ved å rotere antennen (eller andre metoder), endres strålingsretningen til radiobølger, og derved utføres sekvensiell sondering av en større eller mindre del av rommet (eller en sirkulær visning). Pulser som reflekteres fra forskjellige mål ankommer (vanligvis gjennom samme antenne) til radarmottakeren. I dette tilfellet er bestemmelsen av vinkelkoordinatene til mål basert på bruken av antennestråling og mottaksmønstre. Rangering D produsert ved å måle forsinkelsestiden t zap for ankomst av pulsen reflektert fra målet i forhold til øyeblikket for emisjon av sonderingspulsen:
\(~D = \frac(c t_(zap))(2)\) ,
Hvor c- lysets hastighet. De to i nevneren vises fordi forsinkelsestiden er summen av tiden det tar for sonderingspulsen å nå målet og den samme tiden for den reflekterte pulsen å nå radaren.
Vinkeloppløsningen til en radar er den minste vinkelforskjellen Δ α mellom retninger ved to mål plassert i samme rekkevidde, hvor de reflekterte pulsene fra dem observeres separat. Det er lett å se at dette tilsvarer det enkleste tilfellet av romlig inkoherens: disse målene løses (ved vinkel) som ikke samtidig kan treffes av den "opplysende" radarstrålingen, siden retningene på dem er forskjellige med bredden på antennestrålingen mønster (fig. 4).
Avstandsoppløsningen til en radar er den minste avstanden δ r mellom to mål plassert i samme retning, der de observeres separat. I de såkalte klassiske radarene ble et sinusformet bølgetog med konstant amplitude brukt som sonderingspuls. Dette forklares spesielt av det faktum at et slikt tog er enkelt å lage: det er nok å kort påføre en konstant høyspenning til en høyfrekvent generator (for eksempel en magnetron). Ensartetheten til togstrukturen fører til at bølgene som reflekteres fra forskjellige mål vil ha samme frekvens (hvis de beveger seg mot radaren med samme hastighet eller hvis dopplereffekten kan neglisjeres), innenfor den gjensidige overlappingen av de reflekterte pulser de vil være sammenhengende, og målene vil være helt adskilt, det vil ikke fungere. Pulser som reflekteres fra to mål vil være usammenhengende bare når de ikke sammenfaller i ankomsttid til radarmottakeren og derfor ikke overlapper på indikatorskjermen (fig. 5).
Dermed er rekkeviddeoppløsningen til disse radarene
\(~\delta r = \frac(c \tau)(2)\) ,
Hvor τ - pulsvarighet. Vi kan si at i radaren under vurdering, vises inkoherensen av reflekterte signaler som kommer fra forskjellige mål i sin enkleste form: som fraværet av deres tilfeldighet i tid.
Som man kan se fra den siste formelen, er det nødvendig å redusere pulsvarigheten for å øke rekkeviddeoppløsningen τ . Men dette fører uunngåelig til en tilsvarende utvidelse av frekvensbåndet. Faktum er at det på den ene siden er et grunnleggende forhold mellom varigheten τ signal (for eksempel en ødelagt sinusformet) og bredde Δ ν spekteret (på frekvensskalaen), der hovedpulsenergien er konsentrert:
\(~\Delta \nu \ca. \frac(1)(\tau)\) .
På den annen side er det ganske klart at måldeteksjonsområdet bestemmes av energien til sonderingen og derfor returpulsen. Dette betyr at når pulsen forkortes, må sendereffekten økes tilsvarende, noe som ikke er en lett oppgave.
På jakt etter en vei ut av denne situasjonen, har radarer tatt veien til å øke pulsbåndbredden uten å endre varigheten: ved å bevege seg fra en sinusformet til en mer komplisert indre struktur av sonderingspulsen. Slik oppsto radarer med lineært frekvensmodulerte (chirp) sonderingspulser (fig. 6). I dette tilfellet viser det seg at forholdet mellom varigheten og bredden på signalet ikke lenger vil gjelde for pulsvarigheten τ imp , og for sammenhengstid τ kog:
\(~\tau_(kog) \ca. \frac(1)(\Delta \nu)\) , hvor \(~\Delta \nu >> \frac(1)(\tau_(imp))\).
Det er sant at for dette formålet introduseres et ekstra spesialfilter i radarmottakeren, ved hjelp av hvilket den mottatte pulsen komprimeres til en varighet τ s = τ kog. Nå vil pulsene på radarskjermen bli separert på en mye mindre avstand mellom målene enn tilfellet var ved bruk av en sinusformet puls:
\(~\delta r = \frac(c \tau_s)(2)<< \frac{c \tau_{imp}}{2}\) ,
Dette bekrefter den uløselige forbindelsen mellom oppløsningen til en ekstern måler og graden av bølgekoherens: for å øke (forbedre) oppløsningen til måleren, er det nødvendig å forverre koherensen til bølgene som brukes.
Det er interessant å merke seg at i levende natur har utviklingen i denne retningen gått enda lenger. For eksempel, sammen med flaggermus, hvis ekkolokatorer også bruker kvitre-probing-pulser, er det såkalte "hviskende" flaggermus som bruker enda flere bredbåndsstøypulser, dvs. høyfrekvente pulser modulert av "hvit" støy. De oppdager mål med betydelig lavere strålingseffekter, samtidig som de gir bedre beskyttelse for lokalisatorene deres mot interferens, spesielt fra gjensidig interferens som oppstår når store grupper av disse flaggermusene jakter på insekter samtidig.
Oppfinnelsen vedrører radarføling ved bruk av enkle ultrabredbånd (UWB) pulssignaler og kan brukes ved sondering av flere nærliggende objekter, for eksempel lag med asfaltdekke. Metoden består i å sende ut en N-lobe sonderende radiopuls, kontinuerlig motta det reflekterte signalet, integrere det N-1 ganger i et valgt tidsvindu, detektere og evaluere signaler fra studieobjektene. Det oppnådde tekniske resultatet av oppfinnelsen er å øke oppløsningsnøyaktigheten til UWB-føling. 6 syke.
Oppfinnelsen angår feltet radarføling ved bruk av ultrabredbånd (UWB) pulssignaler med varighet T og kan brukes ved sondering av flere objekter, hvor avstanden L er sammenlignbar med сT, hvor c er lyshastigheten i mediet. , dvs. under forhold der signaler reflektert fra flere studieobjekter overlapper hverandre. Dette problemet oppstår for eksempel ved sondering av underjordiske jordlag, spesielt flerlags asfaltveidekker.
Det er kjent, s. 24, at ethvert signal S(t) som kan sendes ut av en antenne må tilfredsstille betingelsen: inkludert et enkelt flerlobet UWB-radarlydsignal.
Ved bruk av UWB-radarføling av flere nærliggende forskningsobjekter, oppstår problemet med å løse signaler mottatt fra ett og annet objekt. Dette problemet forverres av tilstedeværelsen av interferens, ufullkommen overførings- og mottaksutstyr og mange andre faktorer.
Den tradisjonelle måten å forhåndsbehandle et radarsignal som reflekteres fra et undersøkelsesobjekt, er dets deteksjon - valget av en lavfrekvent funksjon - amplitude (komplekse) konvolutten til radiopulsen. Når du arbeider med UWB-signaler, reflekterer ikke alltid amplitudeomhyllingen til UWB-signalet som oppnås ved bruk av Hilbert-transformasjonen, egenskapene til formen s.17. I dette tilfellet blir den potensielt høye oppløsningen til UWB-signaler ikke realisert.
Kjent patent RU 2141674 - en metode for ultrabredbåndsradarføling, som består i å sende ut en puls med en antenne, motta denne pulsen med en annen - en fjernantenne, den mottatte pulsen blir forsinket, re-utstrålet og mottatt av en antenne plassert kl. stedet for den primære strålingen. Denne metoden gjør at signalene som mottas fra antennen og fra de omkringliggende strukturelle elementene kan separeres i tid. Med denne metoden løses oppløsningsproblemet ved tidsmessig separasjon av de reflekterte signalene.
Ulempen med denne metoden er det begrensede anvendelsesområdet på grunn av det faktum at muligheten for kunstig separasjon i tid av reflekterte signaler fra flere studieobjekter sjelden oppstår.
Det nærmeste til den påståtte metoden er at de sender ut en N-lobe sonderende radiopuls, mottar kontinuerlig det reflekterte signalet i et valgt tidsvindu, oppdager og evaluerer signaler fra studieobjektene. For å løse oppløsningsproblemet, finn ut:
Direkte overføringssignal fra emitterende til mottakerantennen (når du sonderer åpent rom), som trekkes fra det mottatte signalet under etterfølgende sondering av miljøet;
Totalrefleksjonssignal ved sondering av en metallplate, som brukes til å kalibrere etterfølgende sonderinger.
Foroversignalet trekkes fra signalet mottatt fra forskningsobjektene. Den nærmeste responsen detekteres deretter én etter én, og under hensyntagen til dempningen av det kjente totale refleksjonssignalet, trekkes det fra det mottatte signalet. Dermed er det teoretisk mulig å løse mottatte signaler.
Ulempen med denne metoden er lav nøyaktighet. For det første endrer et signal som går gjennom mediet frekvensspekteret, og derfor ikke bare amplituden, men også formen. Som et resultat viser det seg å være upassende å bruke det totale refleksjonssignalet som et kalibreringssignal. For det andre fører den rekursive karakteren til prosessering, der hvert nytt objekt oppdages basert på resultatene av deteksjonen av det forrige, til akkumulering av feil.
Problemet som er løst ved denne oppfinnelsen er å øke oppløsningen av UWB-føling reflektert fra nærliggende objekter, og derfor å oppnå mer og bedre kvalitetsinformasjon fra radarføling.
Å løse problemet med en metode for å øke oppløsningen av ultrabredbåndsradarsensor, som består i å sende ut en N-lobe sonderende radiopuls, kontinuerlig motta det reflekterte signalet i et valgt tidsvindu, oppdage og evaluere signaler fra undersøkelsesobjekter , integrere det reflekterte signalet i et valgt tidsvindu N -1 tid, og bruke resultatene av integrasjonen til å oppdage og evaluere signaler fra studieobjekter.
En vesentlig forskjell mellom den foreslåtte metoden og prototypen er at ved sondering med en N-lobe radiopuls, blir det reflekterte signalet integrert i det valgte tidsvinduet N-1 ganger.
Prototypen bruker operasjonen med å trekke kjente svar fra det mottatte signalet.
Bruken av N-1 multippel integrasjon, en lineær metode for å konvertere mottatte signaler, lar deg konvertere deres multi-lobe-tidsstruktur til en enkelt-lobe. Figur 1 viser at en tre-lobe radiopuls etter en enkelt sondering blir to-lobe, og etter den andre integrasjonen - single-lobe. Hvis en slik puls kunne sendes ut av en antenne, ville oppgaven med å løse nærliggende objekter være sterkt forenklet. Å integrere det mottatte signalet for et lineært system tilsvarer å integrere inngangssignalet. Dermed forenkler integrering av utgangssignalet oppløsningen av nærliggende objekter.
Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er illustrert av følgende grafiske materialer.
Figur 1 - resultater av sekvensiell integrasjon av et tre-lobe-signal.
Figur 2 - delsignaler reflektert fra tre objekter.
Figur 3 - totalt signal reflektert fra tre objekter.
Figur 4 er resultatet av en enkelt integrering av det reflekterte signalet.
Figur 5 er resultatet av dobbel integrasjon av det reflekterte signalet.
La oss vurdere muligheten for å implementere den foreslåtte metoden.
For radarsondering kan enkeltradiopulser med et lite antall tidslober N=2-5 brukes, for eksempel en trelobspuls S(t), vist i fig.1. Slike signaler har et UWB-spektrum. Behandlingen deres er mulig i frekvens- eller tidsdomenet. I begge tilfeller er det nødvendig å oppdage signaler reflektert fra studieobjekter, evaluere deres amplitude, polaritet, tidsmessige posisjon og andre parametere. Slike sonderinger brukes for eksempel i studiet av veidekkelag. I dette tilfellet er studieobjektene grensene til belegglagene, som reflekterer sonderingssignalet og har forskjellige dielektriske konstanter ε. Avhengig av forholdet mellom de dielektriske konstantene ε til mediet, kan de reflekterte signalene ha forskjellige polariteter.
Hvis studieobjektene (veioverflatelagene) er plassert nær hverandre, overlapper de reflekterte signalene hverandre. Figur 2 viser delsignaler S3i(t), (i=1, 2, 3), reflektert fra tre forskjellige lag. Hver av dem har sin egen amplitude og form. Signal S 32 (t) har omvendt polaritet. Det totale reflekterte signalet S3(t)=S31(t)+S32(t)+S33(t), fig. 3, er til liten nytte for analyse. For å løse oppløsningsproblemet er det mulig å redusere varigheten av sonderingssignalet S(t), men dette vil føre til en uberettiget økning i utviklingskostnader eller til teknisk ugjennomførbarhet.
Enkel integrering av signalet reflektert fra objekter Fig.4 løser ikke oppløsningsproblemet, men re-integrasjon
Fig. 5 lar oss estimere den tidsmessige posisjonen, polariteten og amplituden til de reflekterte signalene ganske nøyaktig. Denne vurderingen kan oppnås visuelt eller ved hjelp av en datamaskin.
Legg merke til at ved hjelp av den foreslåtte lineære transformasjonen er gjenoppretting av forholdet mellom amplitudene til delsignaler og avstanden mellom dem mulig selv i tilfellet når signalene er forsinket i forhold til hverandre i en tid mindre enn varigheten av periode for den sentrale harmoniske av signalspekteret, dvs. i forhold til å realisere potensiell rekkeviddeoppløsning.
Dermed lar den foreslåtte metoden UWB-radarføling oppdage undersøkelsesobjekter, og nærmer seg den potensielle oppløsningen.
La oss vurdere muligheten for praktisk implementering av den foreslåtte metoden. Figur 6 viser et diagram av en enhet som implementerer den foreslåtte metoden, der:
1. UWB-signalgenerator.
2. Senderantenne.
3. Mottaksantenne.
4. Flerlagsmedium under utredning.
5. Stroboskopisk mottaker.
6. Kontrollert forsinkelseslinje.
7. Analog-til-digital omformer (ADC).
8. Datamaskin.
Signalet fra datamaskinen 8 trigger UWB-signalgeneratoren 1, som sendes ut av antennen 2. UWB-signalet som reflekteres fra flerlagsmediet 4 som studeres går inn i antennen 3. Forsinkelseslinjen 6, kontrollert av datamaskinen 8, utløser stroboskopisk mottaker 5, som velger en momentan amplitude av det reflekterte signalet. Analog-til-digital omformer 7 konverterer denne verdien til en kode som leses av datamaskin 8. Oppstartsfrekvensen til generator 1 kan være titalls kilohertz, noe som ikke krever høyhastighets ADC 7. Forsinkelsesverdien 6 setter mottaksvinduet og posisjonen til referansepunktet i den. Ved å gjenta målingene mange ganger, kan du snitte verdiene til denne prøven av det reflekterte signalet, og ved å endre forsinkelsesverdien kan du få hele implementeringen av det reflekterte signalet i det valgte tidsvinduet nøyaktig til skalatiden transformasjon. Som et resultat av gjentatt sondering blir de øyeblikkelige amplitudene til det reflekterte signalet i mottaksvinduet lagret i datamaskinens 8 minne. Integrasjon av de oppnådde digitale prøvene utføres ved sekvensiell summering av prøvene, og multippel integrasjon utføres ved sekvensiell anvendelse av denne prosedyren. I fig. 1-5 viser abscisseaksen prøvenumrene til UWB-signalet. De oppnådde integreringsresultatene kan behandles visuelt av operatøren eller ved kjente prosesseringsmetoder i en datamaskin 8.
Dermed er den foreslåtte metoden teknisk gjennomførbar og gjør det mulig å øke oppløsningen av ultrabredbåndsradarføling.
Liste over brukt litteratur
1. Astanin L.Yu., Kostylev A.A. Grunnleggende om ultrabredbåndsradarmålinger. - M.: Radio og kommunikasjon, 1989. - 192 s.: ill.
2. Patent RU 2141674.
3. Patent FR 2626666.
4. Teoretisk grunnlag for radar / Ed. V.E. Dulevich. - M.: Sov. radio, 1978. - 608 s.
En metode for å øke oppløsningen av ultrabredbåndsradarføling, som består i å sende ut en N-lobe sonderende radiopuls, hvor N = 2, 3, 4, 5..., kontinuerlig motta reflekterte signaler i et valgt tidsvindu, detektere signaler fra studieobjekter, måling og evaluering av parametrene til signalene som reflekteres fra studieobjektene, karakterisert ved at sonderingen av studieobjektet med en N-lobe radiopuls utføres gjentatte ganger; ved mottak av reflekterte signaler, en kontrollerbar forsinkelsesverdi setter mottaksvinduet med muligheten til å oppnå hele implementeringen av det reflekterte signalet i det valgte tidsvinduet og posisjonen til referansepunktet i Den integrerer de mottatte prøvene av det reflekterte signalet i det valgte tidsvinduet for mottak N-1 ganger, konverterer N-lobens temporale struktur til signalet til en enkeltlobe, gir oppløsning av nærliggende studieobjekter, og bruker integreringsresultatene til å oppdage studieobjekter, måle og evaluere parametere for signaler fra studieobjekter.
Lignende patenter:
Oppfinnelsen vedrører radioteknikk, hovedsakelig radar av stasjonære objekter, og kan spesielt brukes til undergrunnsføling.
Oppfinnelsen angår kortdistanseradar og kan brukes i autonome kontrollsystemer for bevegelse av samvirkende objekter for å måle kontaktvinkelen til et konsentrert luftmål på begrensede avstander ved bruk av en aktiv radar plassert på flyet.
Oppfinnelsen vedrører kortdistanseradar og kan brukes til å måle møtevinkelen til et fly med et konsentrert luftmål i innretninger for autonom kontroll av bevegelsen til samvirkende objekter på begrensede avstander.
Oppfinnelsen angår radioteknikk og kan brukes i passive radioovervåkingssystemer for å identifisere, retningsfinne og bestemme plasseringen av bakke- og luftobjekter ved emisjoner fra deres UHF-sendere ved bruk av én mottaksstasjon.
Kort beskrivelse og eksempler på anvendelse av metoden
Metoden for georadar subsurface sensing (i allment akseptert terminologi er georadar; i engelsk litteratur kalles denne metoden "Ground Penetrating Radar" eller GPR.) er basert på studiet av forplantningen av elektromagnetiske bølger i et medium. Ideen med metoden er å sende ut pulser av elektromagnetiske bølger og registrere signaler reflektert fra grensesnittene mellom lagene av det undersøkte mediet som har en forskjell i dielektrisk konstant. . Slike grensesnitt i de studerte miljøene er for eksempel kontakt mellom tørr og fuktmettet jord (grunnvannstand), kontakter mellom bergarter av ulik litologisk sammensetning, mellom bergart og materiale av en kunstig struktur, mellom frossen og tint jord, mellom berggrunn og løse steiner osv. d. (diagrammet for dannelsen av bølgemønsteret er vist i fig.).
Skjema for dannelsen av en diffraktert elektromagnetisk bølge fra et rør som ligger på en dybde H og en bølge reflektert fra grensesnittet mellom medier med forskjellige dielektriske konstanter: dybde (a.) og tid (b.) seksjoner.
Alle problemer som løses ved hjelp av jordpenetrerende radar kan deles inn i to store grupper med forskningsmetoder, prosesseringsmetoder, typer visning av forskningsobjekter innen elektromagnetiske bølger og presentasjon av resultater som er karakteristiske for hver gruppe. Den første gruppen inkluderer geologiske, hydrogeologiske og geotekniske oppgaver, som kartlegging:
- berggrunnsflater under løse sedimenter;
- grunnvannstand og grenser mellom lag med varierende grad av vannmetning;
- sand, leire, torv, etc.;
- frossen jord;
- bestemmelse av tykkelsen på vannlaget og kartlegging av underbunnssedimenter;
- tykkelse på is og snø.
Den andre gruppen av oppgaver inkluderer søk etter lokale objekter, inspeksjon av tekniske strukturer, brudd på normalsituasjonen, for eksempel:
- søk etter underjordiske hulrom;
- inspeksjon av broer og veiflater;
- kartlegging av kommunikasjon (rørledninger og kabler);
- inspeksjon av betongkonstruksjoner;
- saltholdig jord;
- deler av strekningen med forstyrret naturlig jordforekomst - gjenvunnet mark, utfylte utgravninger.
At. For tiden er GPR mye brukt i forskning på relativt grunne dybder av målobjekter (0,2 - 15 meter), med unntak av studiet av isbreer og frosne bergarter, hvor dybden øker på grunn av høy motstand.
Georadar er en digital, bærbar geofysisk enhet båret av én operatør, designet for å løse et bredt spekter av geotekniske, geologiske, miljømessige, tekniske og andre problemer der det er behov for operasjonell overvåking av miljøet, skaffe jordseksjoner som ikke krever boring eller utgraving. Under sonderingen mottar operatøren informasjon i sanntid på displayet i form av en radarprofil (kalt et radargram). Samtidig lagres dataene på datamaskinens harddisk for videre bruk (behandling, utskrift, tolkning, etc.).
Et sett med utskiftbare antennemoduler gir muligheten til å sondere over et bredt frekvensområde (16 - 2000 MHz). Bruken av et bestemt antennesystem bestemmes av problemet som løses under sonderingen. Økning av sonderingsfrekvensen fører til forbedret oppløsning; men samtidig øker dempningen av den elektromagnetiske bølgen i mediet, noe som fører til en reduksjon i sonderingsdybden; omvendt, ved å redusere frekvensen, kan du øke sonderingsdybden, men du må betale for dette ved å forringe oppløsningen. I tillegg, etter hvert som frekvensen avtar, øker den innledende ufølsomhetssonen (den såkalte døde sonen) til georadaren.
Nedenfor er en tabell over avhengigheten av oppløsning, dødsone og sonderingsdybde avhengig av antennen som brukes. Det antas at jord med en relativ dielektrisitetskonstant på 4 og en spesifikk dempning på 1-2 dB/meter undersøkes. Med dybde mener vi dybden av deteksjon av en flat grense med en refleksjonskoeffisient på 1. Det bør tas i betraktning at disse dataene er svært omtrentlige, de avhenger sterkt av parametrene til det sonderte mediet.
Parameter | Senterfrekvens | ||||||
2 GHz | 900 MHz | 500 MHz | 300 MHz | 150 MHz | 75 MHz | 38 MHz | |
Oppløsning, m | 0.06 — 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1.0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
Død sone, m | 0.08 | 0.1-0.2 | 0.25-0.5 | 0.5-1.0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
Dybde, m | 1.5-2 | 3-5 | 7-10 | 10-15 | 7-10 | 10-15 | 15-30 |
Moderne GPR-er er designet for å fungere i vanskelig tilgjengelige områder med ugunstig klima og kan brukes når som helst på året (GPR-driftstemperatur -20...+40°C).
Nedenfor er eksempler på bruk av metoden for å løse noen (svært få) problemer.
Funn av tre metallrør nedgravd i bakken til en dybde på 1 - 1,5 meter. Hvert rør gir et banesignal i form av en hyperbel, hvis toppunkt tilsvarer plasseringen. Lydfrekvens 900 MHz. Lydende beliggenhet - nær Daugavpils, Latvia. | |
Funn av et karsthule i kalkstein under et lag av leirjord. Hulrommet (sirklet) er synlig på venstre side av profilen i form av vekslende striper. Loam vises øverst som et kontinuerlig signal. Sondefrekvens 300 MHz. Sonestedet er kysten av Dødehavet, Israel. | |
Undersøke en murvegg. I midten av profilen er signalet fra metallskapet innebygd i veggen godt synlig. Sondefrekvens 2 GHz. Lydende sted: Riga, Latvia. | |
Profilering av en innsjø fra bunnen av en plastbåt. En 500 MHz skjermet antenne ble brukt. Metallgjenstander er veldig godt synlige i silt (angitt i figuren som MO). | |
Denne profilen ble oppnådd ved å sondere veggen til en saltgruvedrift. Signaler i form av mange hyperbler fra nabodriften er godt synlige. Avstanden mellom drivene er cirka 7,5 meter. Sondefrekvens 500 MHz. Lydsted: Mirny, Russland. |
30 /11
2018
Anvendelse av laserskanning i bygningsinformasjonsmodellering
Moderne problemer som oppstår i design, konstruksjon og drift av bygninger og strukturer krever presentasjon av data i tredimensjonalt rom, som med høy nøyaktighet og fullstendighet beskriver den relative plasseringen av deler av bygninger, strukturer, situasjonen og relieffet.
Oppfinnelsen vedrører radarføling ved bruk av enkle ultrabredbånd (UWB) pulssignaler og kan brukes ved sondering av flere nærliggende objekter, for eksempel lag med asfaltdekke. Metoden består i å sende ut en N-lobe sonderende radiopuls, kontinuerlig motta det reflekterte signalet, integrere det N-1 ganger i et valgt tidsvindu, detektere og evaluere signaler fra studieobjektene. Det oppnådde tekniske resultatet av oppfinnelsen er å øke oppløsningsnøyaktigheten til UWB-føling. 6 syke.
Tegninger for RF patent 2348945
Oppfinnelsen angår feltet radarføling ved bruk av ultrabredbånd (UWB) pulssignaler med varighet T og kan brukes ved sondering av flere objekter, hvor avstanden L er sammenlignbar med сT, hvor c er lyshastigheten i mediet. , dvs. under forhold der signaler reflektert fra flere studieobjekter overlapper hverandre. Dette problemet oppstår for eksempel ved sondering av underjordiske jordlag, spesielt flerlags asfaltveidekker.
Det er kjent, s.24, at ethvert signal S(t) som kan sendes ut av en antenne må tilfredsstille betingelsen: inkludert et enkelt multi-lobe UWB radar lydsignal.
Ved bruk av UWB-radarføling av flere nærliggende forskningsobjekter, oppstår problemet med å løse signaler mottatt fra ett og annet objekt. Dette problemet forverres av tilstedeværelsen av interferens, ufullkommen overførings- og mottaksutstyr og mange andre faktorer.
Den tradisjonelle måten å forhåndsbehandle et radarsignal som reflekteres fra et undersøkelsesobjekt, er dets deteksjon - valget av en lavfrekvent funksjon - amplitude (komplekse) konvolutten til radiopulsen. Når du arbeider med UWB-signaler, reflekterer ikke alltid amplitudeomhyllingen til UWB-signalet som oppnås ved bruk av Hilbert-transformasjonen, egenskapene til formen s.17. I dette tilfellet blir den potensielt høye oppløsningen til UWB-signaler ikke realisert.
3. Patent FR 2626666.
4. Teoretisk grunnlag for radar / Ed. V.E. Dulevich. - M.: Sov. radio, 1978. - 608 s.
KRAV
En metode for å øke oppløsningen av ultrabredbåndsradarføling, som består i å sende ut en N-lobe sonderende radiopuls, hvor N = 2, 3, 4, 5..., kontinuerlig motta reflekterte signaler i et valgt tidsvindu, detektere signaler fra studieobjekter, måling og evaluering av parametrene til signalene som reflekteres fra studieobjektene, karakterisert ved at sonderingen av studieobjektet med en N-lobe radiopuls utføres gjentatte ganger; ved mottak av reflekterte signaler, en kontrollerbar forsinkelsesverdi setter mottaksvinduet med muligheten til å oppnå hele implementeringen av det reflekterte signalet i det valgte tidsvinduet og posisjonen til referansepunktet i Den integrerer de mottatte prøvene av det reflekterte signalet i det valgte tidsvinduet for mottak N-1 ganger, konverterer N-lobens temporale struktur til signalet til en enkeltlobe, gir oppløsning av nærliggende studieobjekter, og bruker integreringsresultatene til å oppdage studieobjekter, måle og evaluere parametere for signaler fra studieobjekter.