Радіолокаційне зондування та роздільна здатність. Радіолокаційний метод досліджень відкладень торфу та сапропелю. Газоаналітичні методи контролю проб повітря та транспортних засобів на їх основі
Лівшиць М. Роздільна здатність вимірювальних приладів // Квант. – 2002. – № 3. – С. 35-36.
За спеціальною домовленістю з редколегією та редакцією журналу "Квант"
Всім відомо, що мікроскоп потрібен для того, наприклад, щоб перерахувати кількість мікробів на предметному столику, телескоп – щоб перерахувати зірки на небі, радіолокатор – щоб встановити кількість літальних апаратів у небі та відстані до них.
У цій статті йтиметься про найважливішу властивість фізичних приладів - їх роздільну здатність, тобто. величині найменших деталей об'єктів виміру, що розрізняються у процесі виміру. Саме роздільна здатність є головною характеристикою якості вимірювача, що застосовується (навіть більш важливою, ніж точність вимірювань). Наприклад, як від збільшення мікроскопа залежить його якість. Якщо пристрій мікроскопа не забезпечує роздільне сприйняття досить дрібних деталей об'єкта, то зображення не поліпшиться навіть при значному зростанні збільшення. Ми отримаємо тільки більшу, але таку ж нечітку картинку предмета, що розглядається. З іншого боку, самі помилки виміру можна визначити лише після дозволу, тобто. після виділення цієї деталі об'єкта з інших.
Покажемо, які фізичні властивості дистанційних (неконтактних) вимірювачів безпосередньо впливають на дозвіл, що отримується при їх використанні, і якими методами можна домогтися поліпшення роздільної здатності таких приладів.
Спочатку дамо кількісну оцінку. Чим дрібніші деталі об'єктів можуть бути виділені даним приладом у процесі вимірювання, тим краще (вище) його роздільна здатність. Для різних приладів існують різні визначення та різні формули для кількісної оцінки роздільної здатності залежно від цілей та методів: наприклад, чи оцінюється роздільна здатність деталей предмета (мікроскоп, бінокль, телескоп) або окремих ліній у спектрі випромінювання (призму, дифракційні грати та інші спектральні пристрої ), чи використовується незалежність спостереження та вимірювання координат кількох цілей (радіолокатор, гідролокатор, ехолокатор тварини) тощо. Однак загальноприйнятою основою кількісної оцінки роздільної здатності є критерій Релея, спочатку встановлений для випадку окремого спостереження двох точкових джерел світла (дозвіл подвійних зірок). Його узагальнення, що дозволяє використовувати цей критерій у різних випадках, здійснюється наступним чином.
Нехай вхідний вплив на вимірювальний прилад складається з двох піків, що віддаляються на інтервал Δ x; при цьому на виході приладу від кожного піку виходить «відгук» у вигляді більш розмазаного по хсплеску кінцевої ширини, що характеризує властивості приладу і називається апаратною функцією (рис.1). Тоді роздільною здатністю Релею називають мінімальний інтервал Δ x min між впливами двох піків, у якому сумарний відгук ще має вигляд двогорбої кривої (рис.2,а). Якщо зменшити Δ x, Верхівка сумарного сплеску сплощується і сплески зливаються в один (рис.2, б).
Які параметри хвиль, які у дистанційних вимірниках, визначають величину роздільної здатності? Виявляється, таким параметром є ступінь когерентності хвиль (латинське слово «когерентний» означає «що у зв'язку»).
Насамперед згадаємо про когерентність коливань. Коливання називаються когерентними, якщо різниці фаз і відношення амплітуд коливань залишаються незмінними протягом усього часу спостереження. У найпростішому випадку когерентними є два синусоїдальні коливання \(~A \cos (\omega t + \alpha)\) і \(~B \cos (\omega t + \beta)\), де А, У, α і β - Постійні величини. Оскільки хвильові процеси визначаються коливаннями у всіх точках простору, де ці хвилі існують, необхідною умовою когерентності хвиль є когерентність коливань, що відбуваються в кожній точці хвилі протягом часу спостереження.
Більш загальним і коротким є визначення некогерентності хвиль: пучки світла чи інших хвиль будуть некогерентними, якщо різниця фаз між коливаннями переважають у всіх точках простору, де ці хвилі існують спільно, багаторазово і нерегулярним чином змінюється протягом часу спостереження.
Тепер постараємося встановити зв'язок роздільної здатності вимірювача зі ступенем когерентності хвиль. Найбільш наочно це можна зробити на прикладі радіолокації - способі визначення місцезнаходження об'єктів за допомогою радіохвиль.
Коротко нагадаємо принцип роботи імпульсної станції радіолокації (РЛС). На малюнку 3 зображено блок-схему РЛС. Тут 1 - передавач, 2 - антенний перемикач, 3 - антена, 4 - діаграма спрямованості антени, 5 - приймач, 6 - Індикатор. Передавач РЛС за допомогою вузькоспрямованої антени проводить періодичне опромінення простору короткочасними цугами радіохвиль (так званими зондуючими, тобто «обмацуючи», імпульсами). Поворотом антени (або іншими способами) проводиться зміна напряму випромінювання радіохвиль і, тим самим, здійснюється послідовне зондування більшого або меншого сектора простору (або огляд). Відбиті від різних цілей імпульси надходять (зазвичай через ту саму антену) приймач РЛС. При цьому визначення кутових координат цілей засноване на використанні діаграми спрямованості антени на випромінювання та прийом. Вимірювання дальності Dпроводиться за виміром часу запізнення t zap приходу відбитого від мети імпульсу щодо моменту випромінювання зондувального імпульсу:
\(~D = \frac(c t_(zap))(2)\) ,
де c- швидкість світла. Двійка в знаменнику з'являється через те, що час запізнення складається з часу проходження зондуючого імпульсу до мети і такого ж часу проходження відбитого імпульсу до РЛС.
Роздільна здатність РЛС по куту називається найменша різниця кутів Δ α між напрямами на дві мети, що знаходяться на одній дальності, при якій відбиті імпульси від них спостерігаються окремо. Легко бачити, що це відповідає найпростішому випадку просторової некогерентності: дозволяються (по куту) ті цілі, на які не може одночасно потрапити «випромінює» випромінювання РЛС, оскільки напрямки на них відрізняються на ширину діаграми спрямованості антени (рис.4).
Роздільна здатність РЛС по дальності називається найменша відстань δ rміж двома цілями, що у одному напрямку, у якому вони спостерігаються раздельно. У так званих класичних РЛС як зондуючий імпульс застосовувався синусоїдальний цуг хвиль постійної амплітуди. Це пояснюється, зокрема, тим, що такий цуг легко створити: достатньо високочастотний генератор (наприклад, магнетрон) короткочасно подати постійну за величиною високу напругу. Однорідність структури цуга призводить до того, що відбиті від різних цілей хвилі матимуть однакову частоту (якщо вони рухаються у напрямку до РЛС з однаковою швидкістю або якщо можна знехтувати ефектом Доплера), в межах взаємного перекриття відбитих імпульсів вони будуть когерентними, і розділити цілі повністю не вдастся. Відбиті від двох цілей імпульси будуть некогерентні лише тоді, коли вони не збігаються за часом приходу до приймача РЛС і тому не перекриваються на екрані індикатора (рис.5).
Таким чином, роздільна здатність цих РЛС за дальністю становить
\(~\delta r = \frac(c \tau)(2)\) ,
де τ - тривалість імпульсу. Можна сміливо сказати, що у аналізованої РЛС некогерентність які від різних цілей відбитих сигналів виступає у найпростішому вигляді: як їх збіги у часі.
Як видно з останньої формули, для підвищення роздільної здатності по дальності необхідно зменшувати тривалість імпульсу τ . Але це неминуче призводить до відповідного розширення смуги частот. Справа в тому, що, з одного боку, існує фундаментальне співвідношення між тривалістю τ сигналу (наприклад, уривка синусоїди) та шириною Δ ν його спектра (на шкалі частот), у якій зосереджена основна енергія імпульсу:
\(~\Delta \nu \approx \frac(1)(\tau)\) .
З іншого боку, цілком зрозуміло, що дальність виявлення мети визначається енергією зондуючого і, отже, імпульсу, що повернувся назад. Отже, при укороченні імпульсу доводиться відповідно збільшувати потужність передавача, що непростим завданням.
У пошуках виходу з цієї ситуації в радіолокації пішли шляхом збільшення ширини смуги частот імпульсу без зміни його тривалості: шляхом переходу від синусоїдальної до більш ускладненої внутрішньої структури зондувального імпульсу. Так з'явилися РЛС із лінійно-частотно-модульованими (ЛЧМ) зондуючими імпульсами (рис.6). У цьому випадку виявляється, що співвідношення між тривалістю та шириною сигналу буде виконуватися вже не для тривалості імпульсу τ imp, а для часу когерентності τ kog:
\(~\tau_(kog) \approx \frac(1)(\Delta \nu)\) , де \(~\Delta \nu >> \frac(1)(\tau_(imp))\).
Правда для цього в приймачі РЛС вводиться додатковий спеціальний фільтр, за допомогою якого здійснюється стиск прийнятого імпульсу до тривалості τ s = τ kog. Тепер імпульси на екрані РЛС будуть розділятися при набагато меншій відстані між Цілями, ніж це було при використанні синусоїдального імпульсу:
\(~\delta r = \frac(c \tau_s)(2)<< \frac{c \tau_{imp}}{2}\) ,
Так підтверджується нерозривний зв'язок роздільної здатності дистанційного вимірювача зі ступенем когерентності хвиль: для підвищення (покращення) роздільної здатності вимірювача необхідно погіршувати когерентність використовуваних хвиль.
Цікаво відзначити, що в живій природі розвиток у цьому напрямі пішов ще далі. Наприклад, поряд з кажанами, ехолокотори яких також використовують ЛЧМ зондуючі імпульси, існують так звані летючі миші, що «шепотять», застосовують ще більш широкосмугові шумові імпульси, тобто. високочастотні імпульси, що модулюються «білим» шумом. Вони виявляють цілі при значно менших потужностях випромінювання, при цьому забезпечується також найкращий захист їх локаторів від перешкод, особливо від взаємних, що виникають при одночасному полюванні на комах великих груп цих кажанів.
Винахід відноситься до області радіолокаційного зондування з використанням одиночних надширокосмугових (СШП) імпульсних сигналів і може бути використане при зондуванні декількох об'єктів, що близько розташовані, наприклад шарів асфальтового покриття. Спосіб полягає в тому, що випромінюють N-пелюстковий зондувальний радіоімпульс, безперервно приймають відбитий сигнал, інтегрують його N-1 раз у вибраному часовому вікні, виявляють та оцінюють сигнали від об'єктів дослідження. Досяганим технічним результатом винаходу є підвищення точності роздільної здатності СШП зондування. 6 іл.
Винахід відноситься до області радіолокаційного зондування з використанням надширокосмугових (СШП) імпульсних сигналів тривалістю Т і може бути використане при зондуванні кількох об'єктів, відстань між якими L можна порівняти з сТ, де - швидкість світла в середовищі, тобто. за умов, коли сигнали, відбиті від кількох об'єктів дослідження, накладаються друг на друга. Така проблема виникає, наприклад, при зондуванні підповерхневих шарів ґрунту, зокрема, багатошарового асфальтового покриття доріг.
Відомо , стр.24, що будь-який сигнал S(t), який може бути випромінюваний антеною, повинен задовольняти умові: в тому числі одиночний багатопелюстковий зондуючий зондуючий СШП сигнал.
При СШП радіолокаційному зондуванні кількох прилеглих об'єктів дослідження виникає проблема дозволу сигналів, прийнятих від однієї та іншої об'єктів. Ця проблема погіршується наявністю перешкод, недосконалістю приймально-передавальної апаратури та безліччю інших факторів.
Традиційним способом попередньої обробки радіолокаційного сигналу, відбитого від об'єкта дослідження, є його детектування - виділення низькочастотної функції - амплітудної (комплексної) огинаючої радіоімпульсу. Працюючи з СШП сигналами амплітудна огинаюча СШП сигналу, отримана з допомогою перетворення Гільберта, який завжди коректно відображає особливості його форми стр.17. При цьому не реалізується потенційно висока роздільна здатність СШП сигналів.
Патент UA 2141674 - спосіб радіолокаційного надширокосмугового зондування, що полягає в тому, однією антеною випромінюють імпульс, приймають цей імпульс інший - віддаленої антеною, прийнятий імпульс затримують, перевипромінюють і приймають антеною, розташованої в місці первинного випромінювання. Цей спосіб дозволяє рознести в часі сигнали, отримані від антени і від конструктивних елементів, що її оточують. За такого способу проблема вирішення вирішується з допомогою тимчасового рознесення відбитих сигналів.
Недоліком такого способу є обмежена сфера застосування, пов'язана з тим, що можливість штучного рознесення в часі відбитих сигналів від кількох об'єктів дослідження виникає рідко.
Найбільш близьким до заявляється способу є , полягає в тому, що випромінюють N-пелюстковий, зондуючий радіоімпульс, безперервно приймають відбитий сигнал у вибраному часовому вікні, виявляють та оцінюють сигнали від об'єктів дослідження. Для вирішення задачі вирішення визначають:
Сигнал прямого проходження від випромінюючої до приймальної антени (при зондуванні відкритого простору), який віднімають з прийнятого сигналу при наступних зондування середовища;
Сигнал повного відображення під час зондування металевого листа, який використовують для калібрування наступних зондувань.
Зі сигналу, отриманого від об'єктів досліджень, віднімають сигнал прямого проходження. Потім по черзі виявляють найближчий відгук, і з урахуванням ослаблення відомого сигналу повного відбиття віднімають його з прийнятого сигналу. Таким чином, теоретично можна дозволити прийняті сигнали.
Недоліком цього способу є низька точність. По-перше, сигнал, що пройшов через середовище, змінює частотний спектр, отже, як амплітуду, а й свою форму. В результаті виявляється неправомірним використовувати сигнал повного відображення як калібрувальний. По-друге, рекурсивний характер обробки, у якому кожен новий об'єкт виявляється за результатами виявлення попереднього, призводить до накопичення помилок.
Завданням, що вирішується даним винаходом, є підвищення роздільної здатності СШП зондування, відбитих від довколишніх об'єктів, а отже, отримання більшої кількості та кращої якості інформації від зондування радіолокації.
Для вирішення поставленої задачі в способі підвищення роздільної здатності радіолокаційного надширокосмугового зондування, що полягає в тому, що випромінюють N-пелюстковий зондувальний радіоімпульс, безперервно приймають відбитий сигнал у вибраному часовому вікні, виявляють і оцінюють сигнали від об'єктів дослідження, інтегрують -1 раз і використовують результати інтегрування для виявлення та оцінки сигналів від об'єктів дослідження.
Істотною відмінністю заявляється способу від прототипу є те, що при зодндуванні N-пелюстковим радіоімпульсом інтегрують відбитий сигнал у вибраному часовому вікні N-1 разів.
У прототипі використовують операцію віднімання відомих відгуків прийнятого сигналу.
Використання N-1 кратного інтегрування - лінійного методу перетворення сигналів, що приймаються, дозволяє перетворити їх багатопелюсткову тимчасову структуру в однопелюстову. На фіг.1 зображено, що трипелюстковий радіоімпульс після одноразового зондування стає двопелюстковим, а після другого інтегрування - однопелюстковим. Якби такий імпульс міг бути випромінюваний антеною, то завдання розв'язання довколишніх об'єктів значно спростилося. Інтегрування прийнятого сигналу для лінійної системи еквівалентно інтегрування вхідного сигналу. Таким чином, інтегрування вихідного сигналу значно спрощує дозвіл довколишніх об'єктів.
Заявляється спосіб ілюструють такі графічні матеріали.
Фіг.1 - результати послідовного інтегрування трьох пелюсткових сигналів.
Фіг.2 - парціальні сигнали, відбиті від трьох об'єктів.
Фіг.3 - сумарний сигнал, відбитий від трьох об'єктів.
Фіг.4 - результат одноразового інтегрування відбитого сигналу.
Фіг.5 - результат дворазового інтегрування відбитого сигналу.
Розглянемо можливість реалізації заявляється способу.
При радіолокаційному зондуванні можуть використовуватися одиночні радіоімпульси з малим числом тимчасових пелюсток N=2-5, наприклад, трипелюстковий імпульс S(t), зображений на фіг.1. Такі сигнали мають СШП спектром. Їх обробка можлива в частотній або тимчасовій області. В обох випадках необхідно виявити сигнали, відображені від об'єктів дослідження, оцінити їхню амплітуду, полярність, тимчасове положення та інші параметри. Такі зондування використовуються, наприклад, для дослідження шарів дорожнього покриття. При цьому об'єктами дослідження є межі шарів покриття, що відображають зондуючий сигнал і мають різні діелектричні проникності ε. Залежно від співвідношення діелектричних проникностей серед середовищ відбиті сигнали можуть мати різну полярність.
Якщо об'єкти дослідження (шари дорожнього покриття) розташовані близько один від одного, відбиті сигнали накладаються один на одного. На фіг.2 показані парціальні сигнали S 3i (t), (i=1, 2, 3), відбиті від трьох різних шарів. Кожен з них має свою амплітуду та форму. Сигнал S 32 (t) має зворотну полярність. Сумарний відбитий сигнал S 3 (t)=S 31 (t)+S 32 (t)+S 33 (t), фіг.3, малопридатний для аналізу. Для вирішення завдання дозволу можна зменшити тривалість зондувального сигналу S(t), проте це призведе до невиправданого зростання вартості розробки або технічної нереалізованості.
Одноразове інтегрування відбитого від об'єктів сигналу фіг.4 не вирішує проблему вирішення, а повторне інтегрування фіг.5, дозволяє досить точно оцінити, як тимчасове положення, полярність та амплітуду відбитих сигналів. Ця оцінка може бути отримана візуально або з використанням комп'ютера.
Зауважимо, що за допомогою пропонованого лінійного перетворення відновлення співвідношення амплітуд парціальних сигналів та відстані між ними можливе навіть у разі, коли сигнали затримані відносно один одного на час, менший за тривалість періоду центральної гармоніки спектра сигналу, тобто. в умовах реалізації потенційної роздільної здатності по дальності.
Таким чином, заявляється спосіб дозволяє при СШП зондуванні радіолокації виявити об'єкти дослідження, наближаючись до потенційної роздільної здатності.
Розглянемо можливість практичної реалізації заявляється способу. На фіг.6 зображена схема пристрою, що реалізує заявляється спосіб, де:
1. Генератор СШП сигналу.
2. Передавальна антена.
3. Приймальна антена.
4. Досліджуване багатошарове середовище.
5. Стробоскопічний приймач.
6. Керована лінія затримки.
7. Аналого-цифровий перетворювач (АЦП).
8. Комп'ютер.
По сигналу від комп'ютера 8 запускається генератор СШП сигналу 1, який випромінюється антеною 2. СШП сигнал, відбитий від досліджуваного багатошарового середовища 4, надходить в антену 3. Керована комп'ютером 8 лінія затримки 6 запускає стробоскопічний приймач 5, який виділяє одну миттєву. Аналого-цифровий перетворювач 7 перетворює цю величину код, який зчитується комп'ютером 8. Частота запуску генератора 1 може становити десятки кілогерц, що не вимагає високої швидкодії АЦП 7. Величина затримки 6 задає вікно прийому і положення точки відліку в ньому. Багаторазово повторюючи виміри, можна усереднити значення цього відліку відбитого сигналу, а змінюючи величину затримки, - отримати всю реалізацію відбитого сигналу обраному часовому вікні з точністю до масштабно-часового перетворення. Таким чином, в результаті багаторазового зондування в пам'яті 8 комп'ютера зберігаються миттєві амплітуди відбитого сигналу у вікні прийому. Інтегрування отриманих цифрових відліків здійснюється шляхом послідовного підсумовування відліків, а багаторазове – послідовним застосуванням цієї процедури. На фіг.1-5 по осі абсцис відкладені номери відліків СШП сигналу. Отримані результати інтегрування можуть бути оброблені оператором візуально або відомими методами обробки в комп'ютері 8.
Таким чином, пропонований спосіб технічно реалізуємо і дозволяє підвищити роздільну здатність радіолокаційного надширокосмугового зондування.
Список використаної літератури
1. Астанін Л.Ю., Костильов А.А. Основи надширокосмугових радіолокаційних вимірів. - М: Радіо і зв'язок, 1989. - 192 с.: іл.
2. Патент UA 2141674.
3. Патент FR 2626666.
4. Теоретичні основи радіолокації/За ред. В.Є.Дулевича. - М: Рад. радіо, 1978. – 608 с.
Спосіб підвищення роздільної здатності радіолокаційного надширокосмугового зондування, полягає в тому, що випромінюють N-пелюстковий зондувальний радіоімпульс, де N=2, 3, 4, 5..., безперервно приймають відбиті сигнали в обраному часовому вікні, виявляють сигнали від об'єктів дослідження і оцінюють параметри сигналів, відбитих від об'єктів дослідження, який відрізняється тим, що зондування об'єкта дослідження N-пелюстковим радіоімпульсом здійснюють багаторазово, при прийомі відбитих сигналів керованої величиною затримки задають вікно прийому з можливістю отримати всю реалізацію відбитого сигналу в обраному часовому вікні та положення точки відліку в ньому, інтегрують отримані відліки відбитого сигналу в обраному часовому вікні прийому N-1 разів, перетворюючи N-пелюсткову тимчасову структуру сигналу в однопелюсткову, що забезпечує дозвіл прилеглих об'єктів дослідження, використовують результати інтегрування для виявлення об'єктів дослідження, вимірювання та оцінки параметрів сигналів від об'єктів дослідження.
Схожі патенти:
Винахід відноситься до радіотехніки, переважно радіолокації стаціонарних об'єктів, і, зокрема, може бути використане для підповерхневого зондування.
Винахід відноситься до ближньої радіолокації і може використовуватися в системах автономного управління рухом об'єктів, що взаємодіють, для вимірювання на обмежених відстанях кута зустрічі зосередженої повітряної мети за допомогою активного радіолокатора, розташованого на літальному апараті.
Винахід відноситься до ближньої радіолокації і може використовуватися для вимірювання кута зустрічі літального апарату із зосередженою повітряною метою у пристроях автономного керування рухом об'єктів, що взаємодіють, на обмежених відстанях.
Винахід відноситься до радіотехніки і може бути використане в системах пасивного радіоконтролю для ідентифікації, пеленгації та визначення розташування наземних та повітряних об'єктів з випромінюванням їх ДКМВ передавачів при використанні однієї приймальної станції.
Короткий опис та приклади застосування методу
Метод георадіолокаційного підповерхневого зондування (у загальноприйнятій термінології — георадіолокація, в англомовній літературі цей метод називається «Ground Penetrating Radar» або GPR) заснований на вивченні поширення електромагнітних хвиль у середовищі. Ідея методу у випромінюванні імпульсів електромагнітних хвиль та реєстрації сигналів, відбитих від меж розділу шарів зондованого середовища, що мають відмінність по діелектричній проникності. . Такими межами розділу в досліджуваних середовищах є, наприклад, контакт між сухими і вологонасиченими ґрунтами (рівень ґрунтових вод), контакти між породами різного літологічного складу, між породою та матеріалом штучної споруди, між мерзлими та талими ґрунтами, між корінними та пухкими породами тощо. буд. (Схема освіти хвильової картини представлена на рис.).
Схема утворення дифрагованої електромагнітної хвилі від труби, що залягає на глибині Н і хвилі, відбитої від межі поділу середовищ з різними діелектричними проникностями: глибинний (а.) та тимчасовий (б.) розрізи.
Усі завдання, розв'язувані з допомогою георадару, можна розділити на великі групи з характерними кожної групи методиками досліджень, способами обробки, типами відображення об'єктів дослідження, у полі електромагнітних хвиль і представлення результатів. Перша група включає геологічні, гідрогеологічні та інженерно-геологічні завдання, такі як картування:
- поверхні корінних порід під пухкими опадами;
- рівня ґрунтових вод та меж між шарами з різним ступенем водонасичення;
- піску, глини, торфу тощо;
- мерзлих ґрунтів;
- визначення потужності водного шару та картування піддонних відкладень;
- товщини льоду та снігу.
Друга група завдань включає пошук локальних об'єктів, обстеження інженерних споруд, порушення штатної ситуації, наприклад:
- пошук підземних порожнин;
- обстеження мостів та дорожнього покриття;
- картування комунікацій (трубопроводів та кабелів);
- обстеження бетонних конструкцій;
- засолених ґрунтів;
- ділянок розрізу з порушеним природним заляганням ґрунту – рекультивованих земель, засипаних виїмок.
Т.о. в даний час георадар широко застосовується в дослідженнях при відносно невеликій глибині залягання цільових об'єктів (0.2 - 15 метрів) за винятком вивчення льодовиків та мерзлих порід, в яких завдяки високим опорам глибинність підвищується.
Георадар - цифровий, портативний, що переноситься одним оператором геофізичний прилад, призначений для вирішення широкого спектру геотехнічних, геологічних, екологічних, інженерних та інших завдань, де є необхідність оперативного моніторингу середовища, отримання розрізів ґрунту, що не потребують буріння або розкопок. Під час зондування оператор в реальному часі отримує інформацію на дисплеї у вигляді профілю радіолокації (званого радарограмою). Одночасно дані записуються на жорсткий диск комп'ютера для подальшого використання (обробка, роздрук на принтері, інтерпретація тощо).
Набір змінних модулів антен забезпечує можливість зондування у великому діапазоні частот (16 - 2000 МГц). Застосування тієї чи іншої антени визначається вирішуваною при зондуванні завданням. Підвищення частоти зондування призводить до поліпшення роздільної здатності; але при цьому збільшується згасання електромагнітної хвилі в середовищі, що призводить до зменшення глибини зондування; і навпаки, зниженням частоти можна домогтися збільшення глибини зондування, але за це доведеться заплатити погіршенням роздільної здатності. З іншого боку, зі зниженням частоти збільшується зона початкової нечутливості (т.зв. мертва зона) георадара.
Нижче наведена таблиця залежності роздільної здатності, мертвої зони та глибини зондування в залежності від антени, що застосовується. Передбачається, що зондується ґрунт із відносною діелектричною проникністю, що дорівнює 4 і питомим загасанням 1-2 дБ/метр. Під глибинністю мають на увазі глибина виявлення плоскої кордону з коефіцієнтом відображення 1. Слід пам'ятати, що це дані дуже приблизні, вони залежить від параметрів зондируемого середовища.
Параметр | Центральна частота | ||||||
2 ГГц | 900 МГц | 500 МГц | 300 МГц | 150 МГц | 75 МГц | 38 МГц | |
Дозвіл, м | 0.06 — 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1.0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
Мертва зона, м | 0.08 | 0.1-0.2 | 0.25-0.5 | 0.5-1.0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
Глибинність, м | 1.5-2 | 3-5 | 7-10 | 10-15 | 7-10 | 10-15 | 15-30 |
Сучасні георадари сконструйовані для роботи у важкодоступних районах з несприятливим кліматом і можуть застосовуватись у будь-яку пору року (робоча температура георадару -20 ... +40 ° С).
Нижче наведено приклади застосування методу під час вирішення деяких (дуже небагатьох) завдань.
Виявлення трьох металевих труб, закопаних у землю на глибину 1 – 1.5 метра. Кожна труба дає траєкторний сигнал у вигляді гіперболи, вершина якої відповідає її місцезнаходження. Частота зондування 900 МГц. Місце зондування – біля м. Даугавпілс, Латвія. | |
Виявлення карстової порожнини у вапняку під шаром суглинку. Порожнина (обведена колом) видно в лівій частині профілю у вигляді смуг, що чергуються. Суглинок відображається зверху як безперервний сигнал. Частота зондування 300 МГц. Місце зондування – берег Мертвого Моря, Ізраїль. | |
Зондування цегляної стіни. У середині профілю чітко видно сигнал від вбудованої в стіну металевої шафи. Частота зондування 2 ГГц. Місце зондування – р. Рига, Латвія. | |
Профільування озера з дна пластикового човна. Використовувалася 500 МГц екранована антена. В мулі дуже добре видно металеві об'єкти (на малюнку позначені МО). | |
Цей профіль отримано під час зондування стіни штреку соляної шахти. Добре видно сигнали у вигляді безлічі гіперболів від сусіднього штреку. Відстань між штреками приблизно 7.5 метрів. Частота зондування 500 МГц. Місце зондування - Мирний, Росія. |
30 /11
2018
Застосування лазерного сканування при інформаційному моделюванні будівель
Сучасні завдання, що виникають при проектуванні, будівництві, експлуатації будівель і споруд вимагають представлення даних в тривимірному просторі, з високою точністю і повнотою частин, що описують взаємне розташування будівель, споруд, ситуацію і рельєф.
Винахід відноситься до області радіолокаційного зондування з використанням одиночних надширокосмугових (СШП) імпульсних сигналів і може бути використане при зондуванні декількох об'єктів, що близько розташовані, наприклад шарів асфальтового покриття. Спосіб полягає в тому, що випромінюють N-пелюстковий зондувальний радіоімпульс, безперервно приймають відбитий сигнал, інтегрують його N-1 раз у вибраному часовому вікні, виявляють та оцінюють сигнали від об'єктів дослідження. Досяганим технічним результатом винаходу є підвищення точності роздільної здатності СШП зондування. 6 іл.
Малюнки до патенту РФ 2348945
Винахід відноситься до області радіолокаційного зондування з використанням надширокосмугових (СШП) імпульсних сигналів тривалістю Т і може бути використане при зондуванні кількох об'єктів, відстань між якими L можна порівняти з сТ, де - швидкість світла в середовищі, тобто. за умов, коли сигнали, відбиті від кількох об'єктів дослідження, накладаються друг на друга. Така проблема виникає, наприклад, при зондуванні підповерхневих шарів ґрунту, зокрема, багатошарового асфальтового покриття доріг.
Відомо , стр.24, будь-який сигнал S(t), який може бути випромінюваний антеною, повинен задовольняти умові: в тому числі одиночний багатопелюстковий зондувальний СШП радіолокаційний сигнал.
При СШП радіолокаційному зондуванні кількох прилеглих об'єктів дослідження виникає проблема дозволу сигналів, прийнятих від однієї та іншої об'єктів. Ця проблема погіршується наявністю перешкод, недосконалістю приймально-передавальної апаратури та безліччю інших факторів.
Традиційним способом попередньої обробки радіолокаційного сигналу, відбитого від об'єкта дослідження, є його детектування - виділення низькочастотної функції - амплітудної (комплексної) огинаючої радіоімпульсу. Працюючи з СШП сигналами амплітудна огинаюча СШП сигналу, отримана з допомогою перетворення Гільберта, який завжди коректно відображає особливості його форми стр.17. При цьому не реалізується потенційно висока роздільна здатність СШП сигналів.
3. Патент FR 2626666.
4. Теоретичні основи радіолокації/За ред. В.Є.Дулевича. - М: Рад. радіо, 1978. – 608 с.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Спосіб підвищення роздільної здатності радіолокаційного надширокосмугового зондування, полягає в тому, що випромінюють N-пелюстковий зондувальний радіоімпульс, де N=2, 3, 4, 5..., безперервно приймають відбиті сигнали в обраному часовому вікні, виявляють сигнали від об'єктів дослідження і оцінюють параметри сигналів, відбитих від об'єктів дослідження, який відрізняється тим, що зондування об'єкта дослідження N-пелюстковим радіоімпульсом здійснюють багаторазово, при прийомі відбитих сигналів керованої величиною затримки задають вікно прийому з можливістю отримати всю реалізацію відбитого сигналу в обраному часовому вікні та положення точки відліку в ньому, інтегрують отримані відліки відбитого сигналу в обраному часовому вікні прийому N-1 разів, перетворюючи N-пелюсткову тимчасову структуру сигналу в однопелюсткову, що забезпечує дозвіл прилеглих об'єктів дослідження, використовують результати інтегрування для виявлення об'єктів дослідження, вимірювання та оцінки параметрів сигналів від об'єктів дослідження.