Wykrywanie radarowe i rozdzielczość. Radarowa metoda badania złóż torfu i sapropelu. Metody analityczne gazów do monitorowania próbek powietrza i pojazdów na ich podstawie
![Wykrywanie radarowe i rozdzielczość. Radarowa metoda badania złóż torfu i sapropelu. Metody analityczne gazów do monitorowania próbek powietrza i pojazdów na ich podstawie](https://i2.wp.com/physbook.ru/images/1/1e/Img_Kvant-2002-03-014.jpg)
Livshits M. Rozdzielczość przyrządów pomiarowych // Kwantowa. - 2002. - nr 3. - s. 35-36.
Na podstawie specjalnego porozumienia z redakcją i redakcją czasopisma „Kvant”
Każdy wie, że mikroskop jest potrzebny, aby na przykład policzyć liczbę drobnoustrojów na scenie, teleskop - aby policzyć gwiazdy na niebie, radar - aby określić liczbę samolotów na niebie i odległości do ich.
W tym artykule porozmawiamy o najważniejszej właściwości urządzeń fizycznych - ich rozdzielczości, tj. wielkość najmniejszych szczegółów obiektów pomiarowych wyodrębnionych w procesie pomiarowym. To właśnie rozdzielczość jest głównym wyznacznikiem jakości użytego miernika (nawet ważniejszym niż dokładność pomiarów). Na przykład jego jakość zależy nie tylko od powiększenia mikroskopu. Jeśli urządzenie mikroskopowe nie zapewni oddzielnego postrzegania wystarczająco małych szczegółów obiektu, wówczas uzyskany obraz nie poprawi się nawet przy znacznym powiększeniu. Otrzymamy jedynie większy, ale równie rozmyty obraz danego obiektu. Poza tym same błędy pomiaru można określić dopiero po rozdzielczości, tj. po wybraniu danego szczegółu obiektu spośród innych.
Pokażemy, jakie właściwości fizyczne zdalnych (bezkontaktowych) mierników bezpośrednio wpływają na rozdzielczość uzyskiwaną podczas ich użytkowania i jakimi metodami można poprawić rozdzielczość takich urządzeń.
Najpierw dokonajmy oceny ilościowej. Im drobniejsze szczegóły obiektów potrafi dane urządzenie rozpoznać w procesie pomiarowym, tym lepsza (wyższa) jest jego rozdzielczość. Dla różnych instrumentów istnieją różne definicje i różne wzory na ilościowe określanie zdolności rozdzielczej w zależności od celów i metod: na przykład, czy rozdzielczość szczegółów obiektu (mikroskop, lornetka, teleskop) czy poszczególnych linii w widmie emisyjnym (pryzmat) , siatki dyfrakcyjne i inne urządzenia spektralne), czy stosowana jest niezależność obserwacji i pomiaru współrzędnych kilku celów (radar, sonar, echolokator zwierzęcy) itp. Jednakże ogólnie przyjętą podstawą ilościowej oceny rozdzielczości jest kryterium Rayleigha, pierwotnie ustalone dla przypadku oddzielnej obserwacji dwóch punktowych źródeł światła (rozdzielczość gwiazd podwójnych). Jego uogólnienie, które pozwala na stosowanie tego kryterium w różnych przypadkach, przeprowadza się w następujący sposób.
Niech wpływ wejściowy na urządzenie pomiarowe będzie składał się z dwóch pików oddzielonych odstępem Δ X; w tym przypadku na wyjściu urządzenia z każdego szczytu uzyskuje się „odpowiedź” w postaci bardziej rozproszonego sygnału X impuls o skończonej szerokości, charakteryzujący właściwości urządzenia i nazywany funkcją sprzętową (rys. 1). Wtedy rozdzielczość Rayleigha nazywana jest minimalnym przedziałem Δ X min pomiędzy efektami dwóch pików, przy czym całkowita odpowiedź nadal ma postać krzywej dwugarbnej (ryc. 2, a). Jeśli zmniejszymy Δ X, górna część całkowitego wybuchu jest spłaszczona, a wybuchy łączą się w jeden (ryc. 2, b).
Jakie parametry fal stosowanych w zdalnych czujnikach decydują o rozdzielczości? Okazuje się, że parametrem tym jest stopień spójności fal (łac. „spójny” oznacza „połączony”).
Na początek przypomnijmy sobie spójność oscylacji. Oscylacje nazywane są spójnymi, jeśli różnice fazowe i stosunki amplitud oscylacji pozostają stałe przez cały czas obserwacji. W najprostszym przypadku dwie sinusoidalne oscylacje \(~A \cos (\omega t + \alpha)\) i \(~B \cos (\omega t + \beta)\) są spójne, gdzie A, W, α I β - wartości stałe. Ponieważ procesy falowe wyznaczane są przez oscylacje we wszystkich punktach przestrzeni, w których te fale występują, warunkiem koniecznym spójności fal jest spójność oscylacji występujących w każdym danym punkcie fali w czasie obserwacji.
Bardziej ogólna i zwięzła definicja niespójności fal mówi, że wiązki światła lub inne fale będą niespójne, jeśli różnica faz między oscylacjami we wszystkich punktach przestrzeni, w których te fale współistnieją, zmienia się wielokrotnie i nieregularnie w czasie obserwacji.
Teraz spróbujemy ustalić związek pomiędzy rozdzielczością miernika a stopniem spójności fali. Najdobitniej można to zrobić na przykładzie radaru – metody określania położenia obiektów za pomocą fal radiowych.
Przypomnijmy pokrótce zasadę działania impulsowej stacji radarowej (radaru). Rysunek 3 przedstawia schemat blokowy radaru. Tutaj 1 - nadajnik, 2 - przełącznik antenowy, 3 - antena, 4 - charakterystyka promieniowania anteny, 5 - odbiorca, 6 - wskaźnik. Nadajnik radarowy, wykorzystując wąsko skierowaną antenę, okresowo naświetla przestrzeń krótkotrwałymi ciągami fal radiowych (tzw. impulsami sondującymi, czyli „sondującymi”). Obracając antenę (lub innymi metodami), zmienia się kierunek promieniowania fal radiowych, a tym samym przeprowadza się sekwencyjne sondowanie większego lub mniejszego sektora przestrzeni (lub widoku kołowego). Impulsy odbite od różnych celów docierają (zwykle przez tę samą antenę) do odbiornika radaru. W tym przypadku określenie współrzędnych kątowych celów opiera się na wykorzystaniu wzorców promieniowania i odbioru anteny. Nośny D dokonuje się poprzez pomiar czasu opóźnienia T zap przybycia impulsu odbitego od celu w stosunku do momentu emisji impulsu sondującego:
\(~D = \frac(c t_(zap))(2)\) ,
Gdzie C- prędkość światła. Liczba dwóch w mianowniku pojawia się, ponieważ czas opóźnienia jest sumą czasu potrzebnego na dotarcie impulsu sondującego do celu i tego samego czasu, zanim odbity impuls dotrze do radaru.
Rozdzielczość kątowa radaru to najmniejsza różnica kąta Δ α między kierunkami dwóch celów znajdujących się w tej samej odległości, przy czym odbite od nich impulsy są obserwowane oddzielnie. Łatwo zauważyć, że odpowiada to najprostszemu przypadkowi niespójności przestrzennej: rozdzielane są (według kąta) te cele, które nie mogą być jednocześnie trafione przez „oświetlające” promieniowanie radarowe, gdyż kierunki na nich różnią się szerokością promieniowania anteny wzór (ryc. 4).
Rozdzielczość zasięgu radaru to najmniejsza odległość δ R pomiędzy dwoma celami położonymi w tym samym kierunku, w których są one obserwowane oddzielnie. W tzw. radarach klasycznych jako impuls sondujący wykorzystano ciąg fal sinusoidalnych o stałej amplitudzie. Wyjaśnia to w szczególności fakt, że taki pociąg jest łatwy do stworzenia: wystarczy na krótko przyłożyć stałe wysokie napięcie do generatora wysokiej częstotliwości (na przykład magnetronu). Jednorodność konstrukcji pociągu powoduje, że fale odbite od różnych celów będą miały tę samą częstotliwość (jeśli poruszają się w stronę radaru z tą samą prędkością lub jeśli można pominąć efekt Dopplera), w ramach wzajemnego nakładania się odbitych impulsy będą spójne, a cele całkowicie oddzielone. To nie zadziała. Impulsy odbite od dwóch celów będą niespójne tylko wtedy, gdy nie pokrywają się w czasie dotarcia do odbiornika radaru i dlatego nie nakładają się na ekran wskaźnika (rys. 5).
Zatem rozdzielczość zasięgu tych radarów wynosi
\(~\delta r = \frac(c \tau)(2)\) ,
Gdzie τ - czas trwania impulsu. Można powiedzieć, że w rozpatrywanym radarze niespójność odbitych sygnałów pochodzących od różnych celów objawia się w najprostszej postaci: jako brak ich zbieżności w czasie.
Jak widać z ostatniego wzoru, aby zwiększyć rozdzielczość zakresu, należy skrócić czas trwania impulsu τ . Ale to nieuchronnie prowadzi do odpowiedniego rozszerzenia pasma częstotliwości. Faktem jest, że z jednej strony istnieje zasadniczy związek pomiędzy czasem trwania τ sygnał (na przykład uszkodzona sinusoida) i szerokość Δ ν jego widmo (w skali częstotliwości), w którym skupia się główna energia impulsu:
\(~\Delta \nu \około \frac(1)(\tau)\) .
Z drugiej strony jest całkiem jasne, że zasięg wykrywania celu jest określony przez energię impulsu sondującego, a co za tym idzie, impulsu powracającego. Oznacza to, że w przypadku skrócenia impulsu należy odpowiednio zwiększyć moc nadajnika, co nie jest zadaniem łatwym.
W poszukiwaniu wyjścia z tej sytuacji radary poszły drogą zwiększania szerokości pasma impulsu bez zmiany jego czasu trwania: przechodząc od sinusoidalnej do bardziej skomplikowanej wewnętrznej struktury impulsu sondującego. Tak pojawiły się radary z impulsami sondującymi o liniowej modulacji częstotliwości (ćwierkanie) (ryc. 6). W tym przypadku okazuje się, że zależność pomiędzy czasem trwania i szerokością sygnału nie będzie już prawdziwa dla czasu trwania impulsu τ imp i czas koherencji τ kog:
\(~\tau_(kog) \około \frac(1)(\Delta \nu)\) , gdzie \(~\Delta \nu >> \frac(1)(\tau_(imp))\).
To prawda, że \u200b\u200bw odbiorniku radarowym wprowadzono dodatkowy specjalny filtr, za pomocą którego odebrany impuls jest kompresowany do czasu trwania τ s = τ kog. Teraz impulsy na ekranie radaru będą rozdzielone w znacznie mniejszej odległości pomiędzy Celami, niż miało to miejsce w przypadku impulsu sinusoidalnego:
\(~\delta r = \frac(c \tau_s)(2)<< \frac{c \tau_{imp}}{2}\) ,
Potwierdza to nierozerwalny związek pomiędzy rozdzielczością odległego miernika a stopniem spójności fali: aby zwiększyć (poprawić) rozdzielczość miernika, konieczne jest pogorszenie spójności wykorzystywanych fal.
Warto zauważyć, że w przyrodzie żywej rozwój w tym kierunku poszedł jeszcze dalej. Na przykład obok nietoperzy, których echolokatory również wykorzystują impulsy sondujące typu chirp, istnieją tak zwane nietoperze „szepczące”, które wykorzystują jeszcze więcej impulsów szumu szerokopasmowego, tj. impulsy o wysokiej częstotliwości modulowane „białym” szumem. Wykrywają cele przy znacznie niższych mocach promieniowania, zapewniając jednocześnie lepszą ochronę swoich lokalizatorów przed zakłóceniami, zwłaszcza przed wzajemnymi zakłóceniami, które mają miejsce, gdy duże grupy tych nietoperzy jednocześnie polują na owady.
Wynalazek dotyczy dziedziny wykrywania radarowego wykorzystującego pojedyncze ultraszerokopasmowe sygnały impulsowe (UWB) i może być stosowany podczas sondowania kilku pobliskich obiektów, na przykład warstw nawierzchni asfaltowej. Metoda polega na emisji N-płatkowego sondującego impulsu radiowego, ciągłym odbiorze odbitego sygnału, całkowaniu go N-1 razy w wybranym oknie czasowym, detekcji i ocenie sygnałów z obiektów badań. Osiągniętym wynikiem technicznym wynalazku jest zwiększenie dokładności rozdzielczości wykrywania UWB. 6 chory.
Wynalazek dotyczy dziedziny wykrywania radarowego z wykorzystaniem ultraszerokopasmowych (UWB) sygnałów impulsowych o czasie trwania T i może być stosowany podczas sondowania kilku obiektów, których odległość L jest porównywalna z сT, gdzie c jest prędkością światła w ośrodku , tj. w warunkach, w których sygnały odbite od kilku obiektów badań nakładają się na siebie. Problem ten pojawia się np. podczas sondowania przypowierzchniowych warstw gruntu, zwłaszcza wielowarstwowych nawierzchni asfaltowych.
Wiadomo, s. 24, że każdy sygnał S(t), który może zostać wyemitowany przez antenę, musi spełniać warunek: zawierać pojedynczy wielolistkowy sygnał sondujący UWB.
W przypadku wykorzystania radarowej detekcji UWB kilku pobliskich obiektów badawczych pojawia się problem rozdzielenia sygnałów otrzymanych z jednego i drugiego obiektu. Problem ten pogłębia obecność zakłóceń, niedoskonały sprzęt nadawczy i odbiorczy oraz wiele innych czynników.
Tradycyjnym sposobem wstępnego przetwarzania sygnału radarowego odbitego od obiektu badań jest jego detekcja – wybór funkcji niskiej częstotliwości – obwiedni amplitudy (zespołu) impulsu radiowego. Podczas pracy z sygnałami UWB obwiednia amplitudy sygnału UWB otrzymana za pomocą transformaty Hilberta nie zawsze poprawnie odzwierciedla cechy jego kształtu, s. 17. W tym przypadku nie jest realizowana potencjalnie wysoka rozdzielczość sygnałów UWB.
Znany patent RU 2141674 – metoda ultraszerokopasmowego wykrywania radarowego, która polega na emitowaniu impulsu jedną anteną, odbieraniu tego impulsu drugą – anteną zdalną, odebrany impuls jest opóźniany, ponownie wypromieniowywany i odbierany przez antenę umieszczoną na miejsce promieniowania pierwotnego. Metoda ta pozwala na oddzielenie w czasie sygnałów odbieranych z anteny i otaczających ją elementów konstrukcyjnych. Dzięki tej metodzie problem rozdzielczości rozwiązuje się poprzez czasową separację odbitych sygnałów.
Wadą tej metody jest ograniczony zakres jej zastosowania ze względu na to, że rzadko pojawia się możliwość sztucznego rozdzielenia w czasie sygnałów odbitych od kilku obiektów badań.
Najbliższa zastrzeganej metodzie jest taka, że emitują sondujący impuls radiowy typu N, odbierają w sposób ciągły odbity sygnał w wybranym oknie czasowym, wykrywają i oceniają sygnały z obiektów badań. Aby rozwiązać problem rozdzielczości, określ:
Bezpośredni sygnał transmisji z anteny nadawczej do anteny odbiorczej (podczas sondowania otwartej przestrzeni), który jest odejmowany od sygnału odbieranego podczas kolejnego sondowania otoczenia;
Całkowity sygnał odbicia przy sondowaniu blachy, który służy do kalibracji kolejnych sondowań.
Sygnał przekazujący jest odejmowany od sygnału odbieranego z obiektów badawczych. Następnie wykrywana jest jedna po drugiej najbliższa odpowiedź i, biorąc pod uwagę tłumienie znanego sygnału całkowitego odbicia, jest ona odejmowana od odbieranego sygnału. Zatem teoretycznie możliwe jest rozdzielenie odebranych sygnałów.
Wadą tej metody jest niska dokładność. Po pierwsze, sygnał przechodzący przez ośrodek zmienia widmo częstotliwości, a co za tym idzie, nie tylko amplitudę, ale także jego kształt. W efekcie niewłaściwe okazuje się wykorzystywanie sygnału całkowitego odbicia jako sygnału kalibracyjnego. Po drugie, rekurencyjny charakter przetwarzania, w którym każdy nowy obiekt odkrywany jest na podstawie wyników wykrycia poprzedniego, prowadzi do kumulacji błędów.
Problem rozwiązany przez ten wynalazek polega na zwiększeniu rozdzielczości wykrywania UWB odbitego od pobliskich obiektów, a co za tym idzie, uzyskania większej ilości informacji o lepszej jakości z wykrywania radarowego.
Rozwiązanie problemu związanego ze sposobem zwiększania rozdzielczości ultraszerokopasmowego wykrywania radarowego, polegającym na emisji sondującego impulsu radiowego typu N, odbierającego w sposób ciągły odbity sygnał w wybranym oknie czasowym, wykrywającym i oceniającym sygnały z obiektów badań , całkując odbity sygnał w wybranym oknie czasowym N -1 czasu, a wyniki całkowania wykorzystują do wykrywania i oceny sygnałów z obiektów badań.
Istotna różnica pomiędzy proponowaną metodą a prototypem polega na tym, że podczas sondowania impulsem radiowym N-listkowym odbity sygnał jest całkowany w wybranym oknie czasowym N-1 razy.
W prototypie zastosowano operację odejmowania znanych odpowiedzi od odbieranego sygnału.
Zastosowanie integracji wielokrotnej N-1, liniowej metody konwersji odbieranych sygnałów, pozwala na konwersję ich wielopłatowej struktury czasowej na jednopłatową. Z ryciny 1 wynika, że trójlistkowy impuls radiowy po pojedynczym sondowaniu staje się dwulistkowy, a po drugim całkowaniu – jednolistny. Gdyby taki impuls mógł być emitowany przez antenę, zadanie rozpoznawania pobliskich obiektów byłoby znacznie uproszczone. Całkowanie odebranego sygnału dla układu liniowego jest równoznaczne z całkowaniem sygnału wejściowego. Zatem całkowanie sygnału wyjściowego znacznie upraszcza rozdzielczość pobliskich obiektów.
Sposób według wynalazku ilustrują następujące materiały graficzne.
Rysunek 1 – wyniki sekwencyjnego całkowania sygnału trójlistkowego.
Rysunek 2 – sygnały częściowe odbite od trzech obiektów.
Rysunek 3 – całkowity sygnał odbity od trzech obiektów.
Rysunek 4 przedstawia wynik pojedynczej integracji odbitego sygnału.
Rysunek 5 przedstawia wynik podwójnej integracji odbitego sygnału.
Rozważmy możliwość wdrożenia proponowanej metody.
Do sondowania radarowego można zastosować pojedyncze impulsy radiowe o małej liczbie listków czasowych N=2-5, np. impuls trójlistkowy S(t), pokazany na rys.1. Takie sygnały mają widmo UWB. Ich przetwarzanie jest możliwe w dziedzinie częstotliwości lub czasu. W obu przypadkach konieczne jest wykrycie sygnałów odbitych od obiektów badań, ocena ich amplitudy, polaryzacji, położenia czasowego i innych parametrów. Sondowania takie wykorzystuje się m.in. w badaniach warstw nawierzchni dróg. W tym przypadku przedmiotem badań są granice warstw powłok, które odbijają sygnał sondujący i mają różne stałe dielektryczne ε. W zależności od stosunku stałych dielektrycznych ε ośrodka odbite sygnały mogą mieć różną polaryzację.
Jeżeli obiekty badań (warstwy nawierzchni drogi) znajdują się blisko siebie, wówczas odbite sygnały nakładają się na siebie. Rysunek 2 przedstawia sygnały cząstkowe S 3i (t), (i=1, 2, 3), odbite od trzech różnych warstw. Każdy z nich ma swoją amplitudę i kształt. Sygnał S 32 (t) ma odwrotną polaryzację. Całkowity odbity sygnał S 3 (t) = S 31 (t) + S 32 (t) + S 33 (t), rys. 3, jest mało przydatny do analizy. Aby rozwiązać problem rozdzielczości, można skrócić czas trwania sygnału sondującego S(t), ale będzie to prowadzić do nieuzasadnionego wzrostu kosztów rozwoju lub do niewykonalności technicznej.
Pojedyncza integracja sygnału odbitego od obiektów Rys. 4 nie rozwiązuje problemu rozdzielczości, ale reintegracji
Ryc. 5 pozwala dość dokładnie oszacować położenie czasowe, polaryzację i amplitudę odbitych sygnałów. Ocenę tę można uzyskać wizualnie lub za pomocą komputera.
Należy zauważyć, że za pomocą zaproponowanej transformacji liniowej możliwe jest przywrócenie stosunku amplitud sygnałów cząstkowych do odległości między nimi nawet w przypadku, gdy sygnały są opóźnione względem siebie o czas krótszy niż czas trwania okres środkowej harmonicznej widma sygnału, tj. w warunkach realizacji potencjalnej rozdzielczości zakresu.
Zatem proponowana metoda pozwala za pomocą radaru UWB wykrywać obiekty badań z rozdzielczością zbliżoną do potencjalnej.
Rozważmy możliwość praktycznego wdrożenia proponowanej metody. Rysunek 6 przedstawia schemat urządzenia realizującego proponowaną metodę, gdzie:
1. Generator sygnału UWB.
2. Antena nadawcza.
3. Antena odbiorcza.
4. Badane medium wielowarstwowe.
5. Odbiornik stroboskopowy.
6. Kontrolowana linia opóźniająca.
7. Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC).
8. Komputer.
Sygnał z komputera 8 uruchamia generator sygnału UWB 1, który jest emitowany przez antenę 2. Sygnał UWB odbity od badanego ośrodka wielowarstwowego 4 wchodzi do anteny 3. Linia opóźniająca 6, sterowana przez komputer 8, wyzwala odbiornik stroboskopowy 5, który wybiera jedną chwilową amplitudę odbitego sygnału. Przetwornik analogowo-cyfrowy 7 przetwarza tę wartość na kod odczytywany przez komputer 8. Częstotliwość uruchamiania generatora 1 może wynosić dziesiątki kiloherców, co nie wymaga szybkiego ADC 7. Wartość opóźnienia 6 ustawia okno odbioru i położenie w nim punktu odniesienia. Powtarzając pomiary wielokrotnie można uśrednić wartości tej próbki sygnału odbitego, a zmieniając wartość opóźnienia można uzyskać całą realizację sygnału odbitego w wybranym oknie czasowym z dokładnością do czasu skali transformacja. Zatem w wyniku wielokrotnego sondowania chwilowe amplitudy odbitego sygnału w oknie odbiorczym są zapisywane w pamięci komputera 8. Całkowanie otrzymanych próbek cyfrowych odbywa się poprzez sekwencyjne sumowanie próbek, a całkowanie wielokrotne poprzez sekwencyjne stosowanie tej procedury. Na rysunkach 1-5 oś odciętych pokazuje numery próbek sygnału UWB. Otrzymane wyniki całkowania mogą być przetwarzane wizualnie przez operatora lub znanymi metodami przetwarzania w komputerze 8.
Zatem proponowana metoda jest technicznie wykonalna i umożliwia zwiększenie rozdzielczości ultraszerokopasmowego wykrywania radarowego.
Wykaz używanej literatury
1. Astanin L.Yu., Kostylev A.A. Podstawy pomiarów radarowych ultraszerokopasmowych. - M.: Radio i Łączność, 1989. - 192 s.: il.
2. Patent RU 2141674.
3. Patent FR 2626666.
4. Teoretyczne podstawy radaru / wyd. V.E. Dulevich. - M.: Sow. radio, 1978. - 608 s.
Metoda zwiększania rozdzielczości ultraszerokopasmowej detekcji radarowej polegająca na emisji sondującego impulsu radiowego N-listkowego, gdzie N = 2, 3, 4, 5..., odbierającego w sposób ciągły sygnały odbite w wybranym oknie czasowym, wykrywającego sygnałów z obiektów badań, pomiar i ocena parametrów sygnałów odbitych od obiektów badań, charakteryzująca się tym, że sondowanie obiektu badania impulsem radiowym N-płatkowym odbywa się wielokrotnie; w przypadku odbioru sygnałów odbitych sterowany wartość opóźnienia ustawia okno odbioru z możliwością uzyskania pełnej realizacji odbitego sygnału w wybranym oknie czasowym i położenie punktu odniesienia w. Całkuje odebrane próbki odbitego sygnału w wybranym oknie czasowym odbioru N-1 razy, przekształcając N-płatową strukturę czasową sygnału na jednopłatową, zapewniając rozdzielczość pobliskich obiektów badań, a wyniki integracji wykorzystuje do wykrywania obiektów badań, pomiaru i oceny parametrów sygnałów z obiektów badań.
Podobne patenty:
Wynalazek dotyczy radiotechniki, głównie radarów obiektów nieruchomych i w szczególności może być stosowany do wykrywania obiektów podpowierzchniowych.
Wynalazek dotyczy radaru bliskiego zasięgu i może być stosowany w autonomicznych systemach sterowania ruchem oddziałujących obiektów w celu pomiaru kąta zetknięcia skoncentrowanego celu powietrznego w ograniczonych odległościach za pomocą aktywnego radaru umieszczonego na samolocie.
Wynalazek dotyczy radaru bliskiego zasięgu i może być zastosowany do pomiaru kąta natarcia statku powietrznego ze skoncentrowanym celem powietrznym w urządzeniach do autonomicznej kontroli ruchu oddziałujących obiektów na ograniczonych odległościach.
Wynalazek dotyczy radiotechniki i może być zastosowany w pasywnych systemach radiomonitoringu do identyfikacji, namierzania kierunku i określania położenia obiektów naziemnych i powietrznych na podstawie emisji ich nadajników UHF przy wykorzystaniu jednej stacji odbiorczej.
Krótki opis i przykłady zastosowania metody
Metoda georadarowego wykrywania podpowierzchniowego (w ogólnie przyjętej terminologii to georadar; w literaturze angielskiej metoda ta nazywa się „Ground Penetrating Radar” lub GPR.) opiera się na badaniu propagacji fal elektromagnetycznych w ośrodku. Ideą metody jest emitowanie impulsów fal elektromagnetycznych i rejestracja sygnałów odbitych od granic międzyfazowych pomiędzy warstwami badanego ośrodka, które charakteryzują się różnicą stałej dielektrycznej. . Takimi interfejsami w badanych środowiskach są np. kontakt gleb suchych i nasyconych wilgocią (poziom wód gruntowych), kontakt skał o różnym składzie litologicznym, skała z materiałem sztucznej konstrukcji, gleba zamarznięta i rozmrożona, skała macierzysta i luźne kamienie itp. d. (schemat powstawania wzoru fal pokazano na ryc.).
Schemat powstawania ugiętej fali elektromagnetycznej z rury znajdującej się na głębokości H oraz fali odbitej od granicy ośrodków o różnych stałych dielektrycznych: przekroju głębokości (a.) i czasu (b.).
Wszystkie problemy rozwiązywane za pomocą radaru penetrującego grunt można podzielić na dwie duże grupy, charakteryzujące się metodami badawczymi, metodami przetwarzania, rodzajami wyświetlania obiektów badawczych w polu fal elektromagnetycznych i prezentacją wyników charakterystycznych dla każdej grupy. Do pierwszej grupy zaliczają się zadania geologiczne, hydrogeologiczne i geotechniczne, takie jak kartowanie:
- powierzchnie podłoża skalnego pod luźnymi osadami;
- poziomy wód gruntowych i granice między warstwami o różnym stopniu nasycenia wodą;
- piasek, glina, torf itp.;
- zamarznięte gleby;
- określenie miąższości warstwy wody i kartowanie osadów poddennych;
- grubość lodu i śniegu.
Druga grupa zadań obejmuje wyszukiwanie obiektów lokalnych, inspekcję obiektów inżynierskich, naruszenie normalnej sytuacji, na przykład:
- szukać podziemnych jam;
- inspekcja mostów i nawierzchni drogowych;
- mapowanie komunikacji (rurociągi i kable);
- inspekcja konstrukcji betonowych;
- gleby zasolone;
- odcinki odcinka z naruszonym naturalnym występowaniem gruntów – tereny zrekultywowane, zasypane wykopy.
To. Obecnie georadar znajduje szerokie zastosowanie w badaniach na stosunkowo małych głębokościach docelowych obiektów (0,2 – 15 metrów), z wyjątkiem badań lodowców i zamarzniętych skał, w których ze względu na duży opór głębokość wzrasta.
Georadar to cyfrowe, przenośne urządzenie geofizyczne prowadzone przez jednego operatora, przeznaczone do rozwiązywania szerokiego zakresu problemów geotechnicznych, geologicznych, środowiskowych, inżynierskich i innych, gdzie istnieje potrzeba operacyjnego monitorowania środowiska, pozyskiwania przekrojów gruntu niewymagających wierceń lub wykop. Podczas sondowania operator otrzymuje w czasie rzeczywistym informacje na wyświetlaczu w postaci profilu radarowego (tzw. radargram). Jednocześnie dane zapisywane są na dysku twardym komputera w celu dalszego wykorzystania (przetwarzanie, drukowanie, interpretacja itp.).
Zestaw wymiennych modułów antenowych zapewnia możliwość sondowania w szerokim zakresie częstotliwości (16 - 2000 MHz). O zastosowaniu konkretnego systemu antenowego decyduje problem rozwiązywany podczas sondowania. Zwiększenie częstotliwości sondowania prowadzi do poprawy rozdzielczości; ale jednocześnie wzrasta tłumienie fali elektromagnetycznej w ośrodku, co prowadzi do zmniejszenia głębokości sondowania; i odwrotnie, zmniejszając częstotliwość, możesz zwiększyć głębokość sondowania, ale będziesz musiał za to zapłacić pogorszeniem rozdzielczości. Dodatkowo wraz ze spadkiem częstotliwości zwiększa się początkowa strefa nieczułości (tzw. martwa strefa) georadara.
Poniżej znajduje się tabela zależności rozdzielczości, martwej strefy i głębokości sondowania w zależności od zastosowanej anteny. Zakłada się, że badany jest grunt o względnej stałej dielektrycznej wynoszącej 4 i właściwym tłumieniu wynoszącym 1-2 dB/metr. Przez głębokość rozumiemy głębokość detekcji płaskiej granicy o współczynniku odbicia 1. Należy mieć na uwadze, że dane te są bardzo przybliżone, silnie zależą od parametrów sondowanego ośrodka.
Parametr | Częstotliwość środkowa | ||||||
2 GHz | 900 MHz | 500 MHz | 300 MHz | 150 MHz | 75 MHz | 38 MHz | |
Rozdzielczość, m.in | 0.06 — 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1.0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
Martwa strefa, m.in | 0.08 | 0.1-0.2 | 0.25-0.5 | 0.5-1.0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
Głębokość, m | 1.5-2 | 3-5 | 7-10 | 10-15 | 7-10 | 10-15 | 15-30 |
Nowoczesne georadary przeznaczone są do pracy w trudno dostępnych obszarach o niesprzyjającym klimacie i mogą być stosowane o każdej porze roku (temperatura pracy georadaru -20...+40°C).
Poniżej znajdują się przykłady zastosowania tej metody do rozwiązania niektórych (bardzo nielicznych) problemów.
Odkrycie trzech metalowych rur wkopanych w ziemię na głębokość 1 – 1,5 metra. Każda rura daje sygnał trajektorii w postaci hiperboli, której wierzchołek odpowiada jej położeniu. Częstotliwość sondowania 900 MHz. Brzmiąca lokalizacja - niedaleko Daugavpils, Łotwa. | |
Odkrycie jamy krasowej w wapieniu pod warstwą gliny. Wnęka (zakreślona) widoczna jest po lewej stronie profilu w postaci naprzemiennych pasków. Ił jest pokazany u góry jako sygnał ciągły. Częstotliwość sondowania 300 MHz. Miejscem sondowania jest brzeg Morza Martwego w Izraelu. | |
Sondowanie ceglanego muru. W środku profilu wyraźnie widoczny jest sygnał z metalowej szafki wbudowanej w ścianę. Częstotliwość próbkowania 2 GHz. Lokalizacja sondowania: Ryga, Łotwa. | |
Profilowanie jeziora z dna plastikowej łodzi. Zastosowano antenę ekranowaną o częstotliwości 500 MHz. W mule bardzo dobrze widoczne są metalowe przedmioty (oznaczone na rysunku jako MO). | |
Profil ten uzyskano poprzez sondowanie ściany wyrobiska kopalni soli. Wyraźnie widoczne są sygnały w postaci wielu hiperboli z sąsiedniego sztolni. Odległość pomiędzy sztolniami wynosi około 7,5 metra. Częstotliwość sondowania 500 MHz. Lokalizacja sondowania: Mirny, Rosja. |
30 /11
2018
Zastosowanie skanowania laserowego w modelowaniu informacji o budynku
Współczesne problemy pojawiające się przy projektowaniu, budowie i eksploatacji budynków i budowli wymagają prezentacji danych w przestrzeni trójwymiarowej, która z dużą dokładnością i kompletnością opisuje względne położenie części budynków, budowli, sytuację i rzeźbę terenu.
Wynalazek dotyczy dziedziny wykrywania radarowego wykorzystującego pojedyncze ultraszerokopasmowe sygnały impulsowe (UWB) i może być stosowany podczas sondowania kilku pobliskich obiektów, na przykład warstw nawierzchni asfaltowej. Metoda polega na emisji N-płatkowego sondującego impulsu radiowego, ciągłym odbiorze odbitego sygnału, całkowaniu go N-1 razy w wybranym oknie czasowym, detekcji i ocenie sygnałów z obiektów badań. Osiągniętym wynikiem technicznym wynalazku jest zwiększenie dokładności rozdzielczości wykrywania UWB. 6 chory.
Rysunki do patentu RF 2348945
Wynalazek dotyczy dziedziny wykrywania radarowego z wykorzystaniem ultraszerokopasmowych (UWB) sygnałów impulsowych o czasie trwania T i może być stosowany podczas sondowania kilku obiektów, których odległość L jest porównywalna z сT, gdzie c jest prędkością światła w ośrodku , tj. w warunkach, w których sygnały odbite od kilku obiektów badań nakładają się na siebie. Problem ten pojawia się np. podczas sondowania przypowierzchniowych warstw gruntu, zwłaszcza wielowarstwowych nawierzchni asfaltowych.
Wiadomo, s. 24, że każdy sygnał S(t), który może zostać wyemitowany przez antenę, musi spełniać warunek: łącznie z pojedynczym wielolistkowym sygnałem sondującym radar UWB.
W przypadku wykorzystania radarowej detekcji UWB kilku pobliskich obiektów badawczych pojawia się problem rozdzielenia sygnałów otrzymanych z jednego i drugiego obiektu. Problem ten pogłębia obecność zakłóceń, niedoskonały sprzęt nadawczy i odbiorczy oraz wiele innych czynników.
Tradycyjnym sposobem wstępnego przetwarzania sygnału radarowego odbitego od obiektu badań jest jego detekcja – wybór funkcji niskiej częstotliwości – obwiedni amplitudy (zespołu) impulsu radiowego. Podczas pracy z sygnałami UWB obwiednia amplitudy sygnału UWB otrzymana za pomocą transformaty Hilberta nie zawsze poprawnie odzwierciedla cechy jego kształtu, s. 17. W tym przypadku nie jest realizowana potencjalnie wysoka rozdzielczość sygnałów UWB.
3. Patent FR 2626666.
4. Teoretyczne podstawy radaru / wyd. V.E. Dulevich. - M.: Sow. radio, 1978. - 608 s.
PRAWO
Metoda zwiększania rozdzielczości ultraszerokopasmowej detekcji radarowej polegająca na emisji sondującego impulsu radiowego N-listkowego, gdzie N = 2, 3, 4, 5..., odbierającego w sposób ciągły sygnały odbite w wybranym oknie czasowym, wykrywającego sygnałów z obiektów badań, pomiar i ocena parametrów sygnałów odbitych od obiektów badań, charakteryzująca się tym, że sondowanie obiektu badania impulsem radiowym N-płatkowym odbywa się wielokrotnie; w przypadku odbioru sygnałów odbitych sterowany wartość opóźnienia ustawia okno odbioru z możliwością uzyskania pełnej realizacji odbitego sygnału w wybranym oknie czasowym i położenie punktu odniesienia w. Całkuje odebrane próbki odbitego sygnału w wybranym oknie czasowym odbioru N-1 razy, przekształcając N-płatową strukturę czasową sygnału na jednopłatową, zapewniając rozdzielczość pobliskich obiektów badań, a wyniki integracji wykorzystuje do wykrywania obiektów badań, pomiaru i oceny parametrów sygnałów z obiektów badań.