Портативный геолокатор для подземных исследований

В пос­лед­нее вре­мя ак­тив­но раз­ви­ва­ют­ся ра­дио­ло­ка­ци­он­ные ме­то­ды под­по­вер­х­нос­тно­го зон­ди­ро­ва­ния. Они при­ме­ня­ют­ся при ре­ше­нии та­ких за­дач, как из­ме­ре­ние тол­щи­ны и оп­ре­де­ле­ние мес­то­по­ло­же­ния под­по­вер­хнос­т­ных сло-ев, ло­ка­ли­за­ция ка­на­ли­за­ци­он­ных труб и под­зем­ных ком­му­ни­ка­ций, кон­троль за со­сто­я­ни­ем пол­от­на до­рог и др. Про­ис­хо­дит пос­то­ян­ное со­вер­шен­ство­ва­ние при­бо­ров с целью по­вы­ше­ния до­сто­вер­нос­ти ин­фор­ма­ции об ис­сле­ду­е­мых объ­ек­тах.

Фир­мой Geozondas раз­ра­бо­тан им­пуль­с­ный пе­ре­нос­ной пор­та­тив­ный ге­о­ло­ка­тор с раз­ре­ша­ю­щей спо­соб­ностью 0,15 м. Име­ют­ся две мо­ди­фи­ка­ции при­бо­ра для ди­а­па­зо­нов глу­бин 0-1,5 м и 0-5 м со­от­вет­ствен­но.

На струк­тур­ной схе­ме (рис. 1) изо­бра­же­ны ос­нов­ные уз­лы и час­ти при­бо­ра, ра­бо­та­ю­щие по при­нци­пу клас­си­чес­кой ло­ка­ции.

Для обес­пе­че­ния над­еж­ной ра­бо­ты в жес­т­ких ус­ло­ви­ях эк­с-плу­а­та­ции при­ме­нен кон­трол­лер фир­мы Octagon (пла­та 7000), поз­во­ля­ю­щий опе­ра­тив­но об­ра­ба­ты­вать со­би­ра­е­мые мас­си­вы ин­фор­ма­ции.

Элек­тро­лю­ми­нес­цен­т­ный ин­ди­ка­тор EL 320Ч256 фир­мы Planar, уп­рав­ля­е­мый ви­де­о­кон­трол­ле­ром 7430 фир­мы Octagon, поз­во­ля­ет осу­щес­твить вы­бор ре­жи­мов фун­кци­о­ни­ро­ва­ния и под­го­тов­ку при­бо­ра к ра­бо­те.

За­да­ние па­ра­мет­ров и уп­рав­ле­ние при­бо­ром опе­ра­тор вы­пол­ня­ет с по­мощью за­щи­щен­ной 16-кно­поч­ной кла­ви­а­ту­ры.

Ис­поль­зу­е­мая в при­бо­ре про­цес­сор­ная пла­та име­ет встро­ен­ную флэш-па­мять, ко­то­рая лег­ко пе­ре­про­грам­ми­ру­ет­ся с по­мощью лю­бо­го IBM PC со­вмес­ти­мо­го компь­юте­ра, что поз­-во­ля­ет ме­нять за­ло­жен­ные в ло­ка­тор ал­го­рит­мы с целью его адап­та­ции для ре­ше­ния кон­крет­ной за­да­чи.

Име­ет­ся воз­мож­ность ра­бо­ты ге­о­ло­ка­то­ра с внеш­ней ЭВМ ти­па IBM PC по ин­тер­фей­су RS-232, что поз­во­ля­ет ис­поль­зо­вать ее ре­сур­сы для слож­ных об­ра­бо­ток со­би­ра­-е­мых при ис­сле­до­ва­нии объ­ек­тов сиг­на­лов, их хра­не­ния, сис­те­ма­ти­за­ции.
В при­бо­ре ис­поль­зу­ют­ся пе­ре­да­ю­щие ан­тен­ны, ха­рак­те­рис­ти­ки ко­то­рых по­до­бра­ны в за­ви­си­мос­ти от ди­а­па­зо­на ис­сле­ду­е­мых глу­бин и со­гла­со­ва­ны с па­ра­мет­ра­ми ге­не­ра­то­ров зон­ди­ру­ю­щих им­пуль­сов. Ам­пли­ту­да им­пуль­сов со­став­ля­ет 50 В, что поз­во­ля­ет улуч­шить  энер­ге­ти­чес­кие ха­рак­те­рис­ти­ки и по­вы­сить раз­ре­ша­ю­щую спо­соб­ность ге­о­ло­ка­то­ра. Для ди­а­па­зо­на глу­бин 0-1,5 м ис­поль­зу­ют­ся ан­тен­ны, цен­траль­ная час­то­та ко­то­рых рав­на 400 МГц и 1 ГГц, а для ди­а­па­зо­на глу­бин 0-5 м — ан­тен­ны, цен­траль­ная час­то­та ко­то­рых рав­на 150 МГц. Пе­ре­да­ю­щая ан­тен­на, воз­буж­да­е­мая ге­не­ра­то­ром им­пуль­сов, из­лу­ча­ет элек­тро­маг­нит­ный им­пульс, дли­тель­ность ко­то­ро­го оп­ре­де­ля­ет­ся пол­о­сой про­пус­ка­ния ан­тен­ны. Для ан­тенн ди­а­па­зо­на глу­бин 0-1,5 м дли­тель­ность рав­на 2,5 нс (цен­траль­ная час­то­та 400 МГц) и 1 нс (цен­траль­ная час­то­та 1 ГГц), а для ан­тенн ди­а­па­зо­на глу­бин 0-5 м дли­тель­ность рав­на 6 нс. От­ра­жен­ные от под­по­вер­хнос­т­ных струк­тур сиг­на­лы ре­гис­три­ру­ют­ся за­тем при­ем­ной ан­тен­ной.

В ука­зан­ном при­бо­ре ис­поль­зу­ет­ся ма­ло­шу­мя­щий стро­бос­ко­пи­чес­кий пре­об­ра­зо­ва­тель, у ко­то­ро­го сред­нек­вад­ра­тич­ное зна­че­ние со­бствен­ных шу­мов не пре­вы­ша­ет зна­че­ния 0,2 мВ. На­ря­ду с вы­со­кой час­то­той стро­би­ро­ва­ния (100 кГц), поз­во­ля­ю­щей про­во­дить на­коп­ле­ние вво­ди­мых сиг­на­лов с целью умень­ше­ния дис­пер­сии шу-­ма, это да­ет воз­мож­ность бо­лее эф­фек­тив­но вы­де­лять сиг­нал от от­ра-­жа­ю­ще­го объ­ек­та на фо­не шу­ма.

За­ло­же­ны мно­го­чис­лен­ные ал­го­рит­мы, по­вы­ша­ю­щие удоб­ст­во уп­рав­ле­ния при­бо­ром, а так­же поз­во­ля­ю­щие про­во­дить раз­лич­ные об­ра­бот­ки при­ни­ма­е­мых сиг­на­лов. Ав­то­ма­ти­чес­кое оп­ре­де­ле­ние ди­э­лек­три­чес­кой про­ни­ца­е­мос­ти при­по­вер­хнос­тно­го слоя зем­ли да­ет воз­мож­ность раз­мет­ки шка­лы глу­бин. Вы­бор за­ко­на из­ме­не­ния уси­ле­ния и его па­ра­мет­ров поз­во­ля­ет ком­пен­си­ро­вать за­ту­ха­ние зон­ди­ру­ю­ще­го сиг­на­ла с глу­би­ной. 

Для пос­тро­е­ния изо­бра­же­ния под-­по­вер­хнос­тно­го проф­иля исполь­зу­ют­ся ре­жи­мы по­ис­ка объ­ек­тов и ска­ни­ро­ва­ния. При этом пе­ре­да­ю­щая и при­ем­ная ан­тен­ны пе­ре­ме­ща­ют­ся вдоль обоз­на­ча­е­мых на по­вер­хнос­ти проф­илей и про­ис­хо­дит не­пре­рыв­ная ре­гис­тра­ция от­ра­жен­ных сиг­на­лов. Для раз­мет­ки го­ри­зон­таль­ной шка­лы на проф­иле про­став­ля­ют­ся точ­ки с из­вес­т-ны­ми вза­им­ны­ми рас­сто­я­ни­я­ми, и при пе­ре­ме­ще­нии ан­тенн вдоль проф­иля эти точ­ки от­ме­ча­ют­ся на ри­сун­ке вер­ти­каль­ной ли­нией. На ос­но­ве со­бран­ных сиг­на­лов по­лу­ча­ет­ся вре­мен­ной про­филь, на ко­то­ром ось глу­бин ка­либ­ро­ва­на в еди­ни­цах вре­ме­ни. Раз­лич­ные зна­че­ния ко­эф­фи­ци­ен­та от­ра­же­ния со­от­вет­ству­ют раз­лич­ным зна­че­ни­ям гра­да­ций яр­кос­ти на ин­ди­ка­то­ре или бу­ма­ге. На ос­но­ве ди­э­лек­три­чес­кой про­ни­ца­е­мос­ти  рас­счи­ты­ва­ет­ся шка­ла глу­бин, с по­мощью ко­то­рой мож­но оп­ре­де­лить глу­би­ну каж­дой от­ра­жа­ю­щей гра­ни­цы.

Не­мно­го те­о­рии

При об­ра­бот­ке сиг­на­лов с целью по­стро­е­ния глу­бин­но­го проф­иля воз­ни­ка­ет про­бле­ма вы­де­ле­ния пол­ез­ных сиг­на­лов на фо­не шу­ма и по­мех. Для ре­ше­ния этой про­бле­мы ис­поль­-зу­ют­ся раз­лич­ные ме­то­ды. Пос­то­ян­ный по вре­ме­ни от­ра­жен­ный от по­вер­х-нос­ти зем­ли сиг­нал под­ав­ля­ет­ся, ис­поль­зуя сле­ду­ю­щий ал­го­ритм:
,                  (1)


где (2)

Здесь yi(n) — зна­че­ние сиг­на­ла, при­ня­то­го ан­тен­ной, на­хо­дя­щей­ся в точ­ке, за­да­ва­е­мой ин­дек­сом i, с глу­би­ны, за­да­ва­е­мой ин­дек­сом n.

С целью по­вы­ше­ния раз­ре­ша­ю­щей спо­соб­нос­ти в го­ри­зон­таль­ном на­прав­ле­нии при­ме­ня­ет­ся об­ра­бот­ка, ис­поль­зу­ю­щая ме­тод син­те­зи­ро­ван­ной ап­пер­ту­ры. Учи­ты­вая, что на при­ем­ную ан­тен­ну пос­ту­па­ют сиг­на­лы не толь­ко от объ­ек­тов, на­хо­дя­щих­ся под ней, но и сме­щен­ных в го­ри­зон­таль­ном на­прав­ле­нии, а так­же учи­ты­вая ди­аг­рам­му на­прав­лен­нос­ти ан­тен­ны, мож­но по­лу­чить сле­ду­ю­щую фор­му­лу для при­ня­то­го сиг­на­ла:
, (3)

где x_i,z_j — ко­ор­ди­на­ты от­ра­жа­ю­ще­го объ­ек­та,
P(x_i,z_j) — от­ра­жен­ный объ­ек­том сиг­нал,
P’(x_i,z_j) — рас­чи­тан­ное зна­че­ние сиг­на­ла,
D_m — ко­эф­фи­ци­ент, от­ра­жа­ю­щий ди­аг­рам­му на­прав­лен­нос­ти ан­тен­ны,

— рас­сто­я­ние от точ­ки с ко­ор­ди­на­та­ми (xi,zj) до ан­тенн.

Для при­ме­ра на рис. 2 по­ка­за­но изо­б­ра­же­ние проф­иля, по­лу­чен­но­го c ис­пользо­ва­ни­ем обыч­ной об­ра­бот­ки (а) и с ис­поль­зо­ва­ни­ем до­пол­ни­тель­ных об­ра­бо­ток (б) ме­то­дом вы­чи­та­ния сред­не­го по учас­т­ку зна­че­ния (1) и ме­то­дом син­те­зи­ро­ван­ной ап­пер­ту­ры (3). На проф­и-ле, пред­став­лен­ном на рис. 2 б, зна­чи­тель­но лег­че иден­ти­фи­ци­ро­вать две тру­бы.

За­клю­че­ние

Ге­о­ло­ка­тор мо­жет быть ис­поль­зо­ван для ис­сле­до­ва­ния при­по­вер­хнос­т­ных сло­ев зем­ли в стро­и­тель­ст­ве, ком­му­наль­ном хо­зяй­ст­ве, для об­на­ру­же­ния плас­тмас­со­вых мин (что не­воз­мож­но с по­мощью обыч­ных ми­но­ис­ка­те­лей), при стро­и­тель­ст­ве и эк­сплу­а­та­ции же­лез­ных до­рог, об­на­ру­же­нии и оп­ре­де­ле­нии раз­ме­ров за­ле­жей пол­ез­ных ис­ко­па­е­мых, ис­сле­до­ва­нии тол­щи­ны и со­сто­я­ния ле­дя­ных пок­ро­вов, по­ис­ке грун­то­вых вод и т. п. Ра­бо­та с ге­о­ло­ка­то­ром пред­став­ле­на на рис. 3 - 6. 




●

 Г.О. Аленкович, Б.Н. Левитас, А.С. Минин — сотрудники ЗАО Geozondas, Вильнюс