1. Способ радиолокационного зондирования земных недр, заключающийся в том, что

формируют с помощью радиопередающего устройства зондирующий сигнал, обеспечивающий при его излучении формирование электромагнитного поля с эллиптической поляризацией и перестраиваемой по выбранному закону в течение длительности сигнала частотой вращения вектора поляризации,

излучают сформированный зондирующий сигнал в направлении земной поверхности,

осуществляют с помощью N приемных антенн и N радиоприемных устройств раздельный прием квадратурных составляющих сигналов, отраженных от разведываемых подповерхностных структур, в режимах совмещенного и разнесенного приема при одновременном сохранении информации о текущем взаимном расположении радиопередающего и радиоприемных устройств,

выполняют в каждом радиоприемном устройстве предварительную обработку принятых сигналов, включающую в себя раздельную фильтровую обработку квадратурных составляющих поляризационной структуры сигналов, их квантование и дискретизацию,

выполняют совместную обработку полученных результатов предварительной обработки, включающую в себя вычисление суммарного относительно квадратурных поляризационных составляющих сигнала, принятого каждым радиоприемным устройством, определение автокорреляционных функций для режима совмещенного приема и взаимокорреляционных функций для режима разнесенного приема,

определяют частоты поляризационных резонансов и соответствующие времена запаздывания принятых сигналов, отраженных от каждой подповерхностной структуры, и определяют с учетом координат точек проведения зондирования, а также величин баз при разнесенном приеме глубины залегания разведываемых структур, их геометрические и физические характеристики.

2. Способ по п.1, в котором зондирующий сигнал формируют в виде пачки радиоимпульсов, при этом период повторения импульсов выбирают из условия однозначного измерения глубины залегания исследуемых структур.

3. Способ по п.1, в котором N-1 радиоприемных устройств располагают по периметру исследуемого участка местности, а радиопередающее устройство совместно с одним из радиоприемных устройств перемещают в пределах участка.

4. Способ по п.1, в котором зондирующий сигнал излучают с использованием передающей антенны, содержащей ортогональные вибраторы, и формируют электромагнитное поле с эллиптической поляризацией и перестраиваемой частотой вращения вектора поляризации, при этом формирование упомянутого зондирующего сигнала осуществляют путем амплитудной модуляции и фазовой манипуляции высокочастотных колебаний, подаваемых на упомянутые ортогональные вибраторы, причем фазовая манипуляция синхронизована с модулирующими напряжениями, формируемыми для осуществления амплитудной модуляции, при этом текущее значение частоты модулирующих напряжений определяет текущее значение частоты вращения вектора поляризации, которая не зависит от частоты высокочастотных колебаний.

5. Способ по п.4, в котором частоту вращения вектора поляризации излучаемого сигнала перестраивают в диапазоне до нескольких октав.

6. Устройство для радиолокационного зондирования земных недр, содержащее

радиопередающее устройство с передающей антенной для формирования электромагнитного поля с эллиптической поляризацией и перестраиваемой по выбранному закону в течение длительности зондирующего сигнала частотой вращения вектора поляризации,

N радиоприемных устройств с соответствующими N приемными антеннами для приема сигналов, отраженных от разведываемых подповерхностных структур, причем одно из упомянутых радиоприемных устройств размещают на исследуемом участке местности совместно с упомянутым радиопередающим устройством для реализации режима совмещенного приема, а остальные радиоприемные устройства размещают на исследуемом участке местности с разнесением для реализации режима разнесенного приема,

N систем передачи данных и позиционирования,

систему управления,

систему обработки данных и

систему топопривязки,

причем выходы радиоприемных устройств через соответствующие системы передачи данных и позиционирования соединены с системой обработки данных, выходы системы управления соединены с радиопередающим устройством и системой обработки данных, вторые выходы систем передачи данных и позиционирования соединены с входами системы топопривязки, выход которой соединен с системой обработки данных.

7. Устройство по п.6, в котором приемная антенна каждого из N радиоприемных устройств выполнена с возможностью разделения принятого отраженного сигнала на квадратурные составляющие поляризационной структуры сигнала.

8. Устройство по п.7, в котором каждое радиоприемное устройство выполнено двухканальным для предварительной обработки принятых сигналов, причем каждый канал включает средства фильтрации соответствующей квадратурной составляющей поляризационной структуры сигналов, их квантования и дискретизации.

9. Устройство по п.8, в котором система обработки данных содержит средство совместной обработки результатов предварительной обработки, предназначенное для вычисления суммарного относительно квадратурных поляризационных составляющих сигнала, принятого каждым радиоприемным устройством, определения автокорреляционных функций для режима совмещенного приема и взаимокорреляционных функций для режима разнесенного приема,

средство обнаружения выявляемых структур по наличию структурно-параметрических поляризационных резонансов,

средство определения частот поляризационных резонансов и соответствующих времен запаздывания сигналов, отраженных от каждой подповерхностной структуры,

средство для определения глубин залегания разведываемых структур с учетом координат точек проведения зондирования, а также величин баз при разнесенном приеме, геометрических и физических характеристик разведываемых структур и

средство для построения 2D- и 3D-изображений и геологической интерпретации полученных результатов.

 

(57) Реферат / Формула:
Способ радиолокационного зондирования земных недр, заключающийся в том, что

формируют с помощью радиопередающего устройства зондирующий сигнал, обеспечивающий при его излучении формирование электромагнитного поля с эллиптической поляризацией и перестраиваемой по выбранному закону в течение длительности сигнала частотой вращения вектора поляризации,

излучают сформированный зондирующий сигнал в направлении земной поверхности,

осуществляют с помощью N приемных антенн и N радиоприемных устройств раздельный прием квадратурных составляющих сигналов, отраженных от разведываемых подповерхностных структур, в режимах совмещенного и разнесенного приема при одновременном сохранении информации о текущем взаимном расположении радиопередающего и радиоприемных устройств,

выполняют в каждом радиоприемном устройстве предварительную обработку принятых сигналов, включающую в себя раздельную фильтровую обработку квадратурных составляющих поляризационной структуры сигналов, их квантование и дискретизацию,

выполняют совместную обработку полученных результатов предварительной обработки, включающую в себя вычисление суммарного относительно квадратурных поляризационных составляющих сигнала, принятого каждым радиоприемным устройством, определение автокорреляционных функций для режима совмещенного приема и взаимокорреляционных функций для режима разнесенного приема,

определяют частоты поляризационных резонансов и соответствующие времена запаздывания принятых сигналов, отраженных от каждой подповерхностной структуры, и определяют с учетом координат точек проведения зондирования, а также величин баз при разнесенном приеме глубины залегания разведываемых структур, их геометрические и физические характеристики.

2. Способ по п.1, в котором зондирующий сигнал формируют в виде пачки радиоимпульсов, при этом период повторения импульсов выбирают из условия однозначного измерения глубины залегания исследуемых структур.

3. Способ по п.1, в котором N-1 радиоприемных устройств располагают по периметру исследуемого участка местности, а радиопередающее устройство совместно с одним из радиоприемных устройств перемещают в пределах участка.

4. Способ по п.1, в котором зондирующий сигнал излучают с использованием передающей антенны, содержащей ортогональные вибраторы, и формируют электромагнитное поле с эллиптической поляризацией и перестраиваемой частотой вращения вектора поляризации, при этом формирование упомянутого зондирующего сигнала осуществляют путем амплитудной модуляции и фазовой манипуляции высокочастотных колебаний, подаваемых на упомянутые ортогональные вибраторы, причем фазовая манипуляция синхронизована с модулирующими напряжениями, формируемыми для осуществления амплитудной модуляции, при этом текущее значение частоты модулирующих напряжений определяет текущее значение частоты вращения вектора поляризации, которая не зависит от частоты высокочастотных колебаний.

5. Способ по п.4, в котором частоту вращения вектора поляризации излучаемого сигнала перестраивают в диапазоне до нескольких октав.

6. Устройство для радиолокационного зондирования земных недр, содержащее

радиопередающее устройство с передающей антенной для формирования электромагнитного поля с эллиптической поляризацией и перестраиваемой по выбранному закону в течение длительности зондирующего сигнала частотой вращения вектора поляризации,

N радиоприемных устройств с соответствующими N приемными антеннами для приема сигналов, отраженных от разведываемых подповерхностных структур, причем одно из упомянутых радиоприемных устройств размещают на исследуемом участке местности совместно с упомянутым радиопередающим устройством для реализации режима совмещенного приема, а остальные радиоприемные устройства размещают на исследуемом участке местности с разнесением для реализации режима разнесенного приема,

N систем передачи данных и позиционирования,

систему управления,

систему обработки данных и

систему топопривязки,

причем выходы радиоприемных устройств через соответствующие системы передачи данных и позиционирования соединены с системой обработки данных, выходы системы управления соединены с радиопередающим устройством и системой обработки данных, вторые выходы систем передачи данных и позиционирования соединены с входами системы топопривязки, выход которой соединен с системой обработки данных.

7. Устройство по п.6, в котором приемная антенна каждого из N радиоприемных устройств выполнена с возможностью разделения принятого отраженного сигнала на квадратурные составляющие поляризационной структуры сигнала.

8. Устройство по п.7, в котором каждое радиоприемное устройство выполнено двухканальным для предварительной обработки принятых сигналов, причем каждый канал включает средства фильтрации соответствующей квадратурной составляющей поляризационной структуры сигналов, их квантования и дискретизации.

9. Устройство по п.8, в котором система обработки данных содержит средство совместной обработки результатов предварительной обработки, предназначенное для вычисления суммарного относительно квадратурных поляризационных составляющих сигнала, принятого каждым радиоприемным устройством, определения автокорреляционных функций для режима совмещенного приема и взаимокорреляционных функций для режима разнесенного приема,

средство обнаружения выявляемых структур по наличию структурно-параметрических поляризационных резонансов,

средство определения частот поляризационных резонансов и соответствующих времен запаздывания сигналов, отраженных от каждой подповерхностной структуры,

средство для определения глубин залегания разведываемых структур с учетом координат точек проведения зондирования, а также величин баз при разнесенном приеме, геометрических и физических характеристик разведываемых структур и

средство для построения 2D- и 3D-изображений и геологической интерпретации полученных результатов.

 

---

009971
Изобретение относится к области геофизической разведки и предназначено для использования при исследовании земных недр, поиске полезных ископаемых, геологическом картировании, а также при инженерно-строительных, археологических и гидрогеологических изысканиях.
Известно устройство (авт. св. СССР № 1728812, 19.08.89), реализующее способ, в соответствии с которым импульсные воздействия на грунт производят с интервалом, не меньшим длительности записи эхо-сигнала, а сигнал с момента первого воздействия дискретизируют, взвешивают, заносят в память по номерам адреса, соответствующим порядковым номерам интервалов дискретизации, считывают в том же порядке с момента второго воздействия и перемножают в реальном времени с эхо-сигналом от второго воздействия. Подавление несингенетичной помехи превышает 45 дБ. К недостаткам способа следует отнести его малую глубинность, невозможность получения ЗБ-изображений, невозможность его реализации в реальном времени, что требует усложнения аналогового тракта, снижая общую надежность полевой аппаратуры и точность вычислений. Кроме того, двукратное использование задержанного сигнала в перемножении с незадержанным сигналом увеличивает вклад помехи, которую несет задержанный сигнал.
Известен способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, включающий формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя-ограничителя, получение волновой формы сигнала методом сравнения с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память (RU 2080622 С1, 27.05.1997). Недостатком способа является малая глубинность, невозможность получения 3D-изображений и определения физических характеристик исследуемых структур, а также то, что принятый за основной бинарный режим не позволяет в сложных ситуациях производить правильную интерпретацию полученных данных. Известное устройство, реализующее описанный выше способ, содержит автономный передатчик, включающий в себя последовательно соединенные таймер и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий в себя последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также панель управления, блок памяти и ЖКИ. Недостатками устройства являются перечисленные ранее для способа, а также недостаточный динамический диапазон, что приводит к ограничению амплитуды сигнала при получении волновой формы, а также к полной потере информации об амплитуде сигнала в режиме бинарных форм.
Известна система для комплексных геофизических исследований (патент США № 4899322, 06.02.1990), содержащая радиолокационное устройство для обнаружения подповерхностных объектов, акустическое устройство обнаружения, сейсмограф, лазерное оборудование, устройство для определения удельного сопротивления земли и ряд других геофизических устройств. С каждой геофизической установкой соединен процессор, собирающий информацию и передающий ее в регистратор данных. К регистратору данных подключена ЭВМ, объединяющая информацию, поступающую от датчиков. Обработанная на ЭВМ информация воспроизводится на дисплее или распечатывается. К недостатку данной известной системы можно отнести отсутствие единой измерительной процедуры, что значительно усложняет конструкцию. Используется несколько предварительных измерительных каналов (по числу датчиков), что приводит к накапливанию различных систематических ошибок, а это снижает точность последующей комплексной обработки результатов исследований. Кроме того, мощности ЭВМ не используются при сборе и компоновке информации. Эти функции возложены на процессоры - значительно менее мощные вычислительные структурные единицы, чем ЭВМ. Это лишает возможности оператора эффективно вмешиваться в процесс исследований, что снижает информативность и производительность процесса съемки.
Известен способ геофизической разведки и устройство для его осуществления, основанные на излучении радио- и сейсмоакустических сигналов (RU 2022301 С1, 12.11.1992). Принятые радио-эхо-сигналы преобразуют в частоту сейсмоакустических эхо-сигналов. Далее все эхо-сигналы усиливают, фильтруют, взвешивают и предварительно обрабатывают с использованием одних и тех же аппаратно-программных средств. При этом предварительная обработка включает в себя вычисление произведений эхо-сигналов от последовательных возбуждений и суммирование по 5-30 произведений в зависимости от скорости и целей исследований. Для увеличения глубинности разведки вводят коррекцию рассогласования на стадии обработки сигналов с учетом различия сейсмоакустических сигналов и радиосигналов от опорного горизонта. Кроме того, временной сигнал между двумя импульсными воздействиями устанавливают равным 0,25-1 периода. Для реализации способа устройство снабжено стробоскопом, аналоговым трактом с процессором, а также отслеживающим преобразователем частоты. Недостатками способа являются малая глубинность, ограниченный набор определяемых геометрических параметров, невозможность прямого построения объемных (3D) изображений и невозможность непосредственного определе
- 1 -
009971
ния физических характеристик выявленных структур.
Известен способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности и устройство для его осуществления для исследования подповерхностной структуры почвы и обнаружения объектов до глубины в несколько десятков и в несколько сотен метров (RU 2244322 C1, 02.04.2003). Способ включает формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение, регистрацию отраженных волн, предварительную обработку зарегистрированного сигнала, получение волновой формы сигнала методом сравнения с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память. При предварительной обработке формируют квазилогарифмическую шкалу квантования амплитуды сигнала. Представляют логарифмическую полноволновую форму зарегистрированного сигнала в виде последовательного ряда волновых форм сигнала в трехмерной форме - "амплитуда - время задержки - длина профиля" с цветной кодировкой амплитуды сигнала. Определяют значения диэлектрической постоянной и затухания сигнала в подстилающих слоях, по величине которых судят о наличии подповерхностных объектов. На экран ЖКИ одновременно с кадром полноволновой формы сигнала выводят бинарный кадр, составленный из последовательного ряда полноволновых форм, выделенных при заданной величине порога. Устройство содержит передатчик, формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, передающую антенну, приемный блок, включающий в себя последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя, последовательно соединенные управляемый аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель. Устройство содержит также панель управления, блок памяти, ЖКИ, блок обработки. Запуск передатчика осуществляется путем разрыва оп-тоэлектронной пары, связанной с панелью управления основного блока и преобразователем напряжения передатчика, и выполненной в виде инфракрасного светодиода и фотоприемника.
Недостатками данного известного решения являются малая глубинность, ограниченный набор определяемых геометрических параметров, невозможность определения физических характеристик исследуемых структур, невозможность прямого построения объемных (3D) изображений.
Задачей изобретения является разработка способа и устройства для радиолокационного зондирования земных недр, обеспечивающих увеличение дальности действия (глубины зондирования) до единиц -десятков километров, проведение разведки земных недр с одновременной оценкой геометрических и физических характеристик исследуемых структур при одновременном улучшении точностных характеристик и разрешающей способности, прямое построение 2D- и 3Б-изображений, а также увеличение скорости проведения разведки и минимизация ее экологических последствий.
Указанный технический результат достигается тем, что, согласно изобретению, в способе радиолокационного зондирования земных недр формируют с помощью радиопередающего устройства зондирующий сигнал, обеспечивающий при его излучении формирование электромагнитного поля с эллиптической поляризацией и перестраиваемой по выбранному закону в течение длительности сигнала частотой вращения вектора поляризации, излучают сформированный зондирующий сигнал в направлении земной поверхности, осуществляют с помощью N приемных антенн и N радиоприемных устройств раздельный прием квадратурных составляющих сигналов, отраженных от разведываемых подповерхностных структур, в режимах совмещенного и разнесенного приема при одновременном сохранении информации о текущем взаимном расположении радиопередающего и радиоприемных устройств, выполняют в каждом радиоприемном устройстве предварительную обработку принятых сигналов, включающую в себя раздельную фильтровую обработку квадратурных составляющих поляризационной структуры сигналов, их квантование и дискретизацию, выполняют совместную обработку полученных результатов предварительной обработки, включающую в себя вычисление суммарного относительно квадратурных поляризационных составляющих сигнала, принятого каждым радиоприемным устройством, определение автокорреляционных функций для режима совмещенного приема и взаимокорреляционных функций для режима разнесенного приема, определяют частоты поляризационных резонансов и соответствующие времена запаздывания принятых сигналов, отраженных от каждой подповерхностной структуры, и определяют, с учетом координат точек проведения зондирования, а также величин баз при разнесенном приеме, глубины залегания разведываемых структур, их геометрические и физические характеристики.
При этом зондирующий сигнал может формироваться в виде пачки радиоимпульсов, при этом период повторения импульсов выбирают из условия однозначного измерения глубины залегания исследуемых структур.
Кроме того, N-1 радиоприемных устройств предпочтительно располагают по периметру исследуемого участка местности, а радиопередающее устройство совместно с одним из радиоприемных устройств перемещают в пределах участка.
Зондирующий сигнал излучают с использованием передающей антенны, содержащей ортогональные вибраторы, и формируют электромагнитное поле с эллиптической поляризацией и перестраиваемой частотой вращения вектора поляризации, при этом формирование упомянутого зондирующего сигнала осуществляют путем амплитудной модуляции и фазовой манипуляции высокочастотных колебаний, подаваемых на упомянутые ортогональные вибраторы, причем фазовая манипуляция синхронизована с
- 2 -
009971
модулирующими напряжениями, формируемыми для осуществления амплитудной модуляции, при этом текущее значение частоты модулирующих напряжений определяет текущее значение частоты вращения вектора поляризации, которая не зависит от частоты высокочастотных колебаний. Частота вращения вектора поляризации излучаемого сигнала может перестраиваться в диапазоне до нескольких октав.
Вышеуказанный технический результат достигается также тем, что, согласно изобретению, устройство для радиолокационного зондирования земных недр содержит радиопередающее устройство с передающей антенной для формирования электромагнитного поля с эллиптической поляризацией и перестраиваемой по выбранному закону в течение длительности зондирующего сигнала частотой вращения вектора поляризации, N радиоприемных устройств с соответствующими N приемными антеннами для приема сигналов, отраженных от разведываемых подповерхностных структур, причем одно из упомянутых радиоприемных устройств размещено на исследуемом участке местности совместно с упомянутым радиопередающим устройством для реализации режима совмещенного приема, а остальные радиоприемные устройства размещены на исследуемом участке местности с разнесением для реализации режима разнесенного приема, N систем передачи данных и позиционирования, систему управления, систему обработки данных и систему топопривязки, причем выходы радиоприемных устройств через соответствующие системы передачи данных и позиционирования соединены с системой обработки данных, выходы системы управления соединены с радиопередающим устройством и системой обработки данных, вторые выходы систем передачи данных и позиционирования соединены с входами системы топопривязки, выход которой соединен с системой обработки данных.
При этом приемная антенна каждого из N радиоприемных устройств выполнена с возможностью разделения принятого отраженного сигнала на квадратурные составляющие поляризационной структуры сигнала. Каждое радиоприемное устройство выполнено двухканальным для предварительной обработки принятых сигналов, причем каждый канал включает средства фильтрации соответствующей квадратурной составляющей поляризационной структуры сигналов, их квантования и дискретизации.
Система обработки данных содержит средство совместной обработки результатов предварительной обработки, предназначенное для вычисления суммарного относительно квадратурных поляризационных составляющих сигнала, принятого каждым радиоприемным устройством, определения автокорреляционных функций для режима совмещенного приема и взаимокорреляционных функций для режима разнесенного приема, средство обнаружения выявляемых структур по наличию структурно-параметрических поляризационных резонансов, средство определения частот поляризационных резонансов и соответствующих времен запаздывания сигналов, отраженных от каждой подповерхностной структуры, средство для определения глубин залегания разведываемых структур с учетом координат точек проведения зондирования, а также величин баз при разнесенном приеме, геометрических и физических характеристик разведываемьгх структур и средство для построения 2D- и 3D-изображений и геологической интерпретации полученных результатов.
Изобретение поясняется ниже на примерах его осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - структурная схема устройства для радиолокационного зондирования земных недр, выполненного в виде комплекса георадиолокационной разведки "ГеоВизор";
фиг. 2 - структурная схема радиоприемного устройства для радиолокационного зондирования земных недр, используемого в устройстве по фиг. 1;
фиг. 3 - типовой вид суммарного сигнала после накопления;
фиг. 4 - типовой вид автокорреляционной функции суммарного сигнала;
фиг. 5 - пример 2D-изображения структуры выделенных слоев;
фиг. 6 - зависимость определяемого значения квадрата показателя преломления (диэлектрической проницаемости) от глубины для начальной точки представленной на фиг. 4 структуры слоев;
фиг. 7 - пример геологической интерпретации результатов зондирования, представленных на фиг. 5,
фиг. 8 - пример 3D-изображения структуры земных недр;
фиг. 9 - пример схемы расположения на местности радиоприемных устройств и путей перемещения радиопередающего и одного из радиоприемных устройств.
Как показано на фиг. 1, устройство для радиолокационного зондирования недр, выполненное в виде комплекса георадиолокационной разведки "ГеоВизор", содержит систему 1 управления, радиопередающее устройство 2, N радиоприемных устройств 3-1, 3-N, передающую антенну 4, N приемных антенн 5-1, 5-N, модулятор 6, N систем 7-1, 7-N передачи данных (СПД) и позиционирования, систему 8 топопривязки и систему 9 обработки данных. Пунктирной линией обведены устройства и системы, конструктивно объединенные в единый комплект аппаратуры.
Система 1 управления в соответствии с определенными оператором режимами работы вырабатывает управляющие сигналы, поступающие на радиопередающее устройство 2, модулятор 6 и систему 9 обработки данных. Управляющие сигналы, поступающие на радиопередающее устройство 2, определяют моменты его запуска, длительность импульсов и их количество J в пачке, а также задают значения фазы колебаний несущей частоты для определения значений полуосей поляризационного эллипса и их ориен
- 3 -
009971
тации в пространстве при формировании поля на выходе передающей антенны 4. Управляющие сигналы, поступающие на модулятор 6, обеспечивают формирование модулирующих сигналов для радиопередающего устройства 2, определяющих закон изменения частоты вращения вектора поляризации и диапазон ее изменения. Указанные модулирующие напряжения представляют собой когерентные гармонические колебания и используются в радиопередающем устройстве для амплитудной модуляции высокочастотных колебаний. Одновременно высокочастотные колебания подвергаются фазовой манипуляции, осуществляемой синхронно с амплитудной модуляцией, что обеспечивается выдачей с устройства 1 управления на радиопередающее устройство 2 соответствующих управляющих сигналов. При этом частота указанных модулирующих напряжений однозначно определяет частоту вращения вектора поляризации формируемого электромагнитного поля, а закон их изменения - закон изменения частоты вращения вектора поляризации.
Причем частота вращения вектора поляризации совершенно не зависит от несущей частоты сигнала, которая в течение времени зондирования является постоянной. В зависимости от планируемой глубины зондирования несущая частота может принимать несколько фиксированных значений. При этом с увеличением значения несущей частоты глубина зондирования уменьшается, а разрешающая способность и точность определения геометрических и физических характеристик исследуемых структур возрастают. Генерируемый радиопередающим устройством 2 зондирующий сигнал - пачка из J радиоимпульсов поступает на передающую антенну 4, представляющую собой систему из М пар широкополосных ортогональных вибраторов и предназначенную для формирования поля с эллиптической поляризацией. По мере распространения излученный сигнал достигает через некоторое время i-ю структуру с электрической толщиной Li*Ni, значения составляющих которой (геометрическая толщина структуры Li, диэлектрическая и магнитная проницаемости - показатель преломления Ni) априори неизвестны и подлежат определению. При достижении частотой вращения вектора поляризации значения, при котором
1*Х^п*ЛпП, (1)
где Лрк' - k-е резонансное значение длины волны вектора поляризации на i-й структуре;
n - количество длин полуволн, укладывающихся на i-й структуре, при котором на i-й структуре наступает структурно-параметрический поляризационный резонанс.
При этом под структурно-параметрическим поляризационным резонансом понимается такое состояние, при котором на некоторой i-й структуре в направлении распространения электромагнитной волны укладывается целое число длин полуволн вектора поляризации. Соотношение (1) определяет условие наступления структурно-параметрического поляризационного резонанса на i-й структуре. Вследствие отсутствия априорной информации о характеристиках исследуемых структур для гарантированного получения минимум двух резонансов диапазон перестройки частоты вращения вектора поляризации составляет не менее двух октав. При наступлении резонанса наблюдается эффект, эквивалентный наблюдаемому при когерентном накоплении сигнала в оптимальном фильтре, что приводит к резкому возрастанию амплитуды отраженного сигнала и, тем самым, существенному увеличению дальности радиолокационного зондирования.
Отраженные от разных структур сигналы поступают на все N приемных антенн 5-1, ... , 5-N, разнесенных на местности и подключенных к N радиоприемным устройствам. В радиоприемных устройствах 3-1, ... , 3-N, содержащих по два канала обработки для каждой из квадратурных составляющих поляризационной структуры сигналов, каждый из которых собран по типовой схеме супергетеродинного приемника, и, соответственно, два аналого-цифровых преобразователя, производят раздельную фильтровую обработку квадратурных составляющих поляризационной структуры принятых сигналов, их квантование и дискретизацию и с помощью систем 7-1, ... , 7-N передачи данных и позиционирования передают оцифрованные данные на систему 9 обработки данных. В системе 9 обработки данных обработку производят в два этапа. На первом этапе осуществляют вычисление суммарных по отношению к квадратурным составляющим поляризационной структуры сигналов для каждого, принятого от каждого из N радиоприемных устройств сигнала, их раздельное для каждого из N радиоприемных устройств 3-1, 3-N накопление для всех J импульсов, что также позволяет дополнительно улучшить отношение сигнал/шум, и автокорреляционной и взаимокорреляционных (для сигналов, принятых различными радиоприемными устройствами) функций результатов суммирования для каждой конкретной точки местоположения радиопередающего устройства и N радиоприемных устройств. Для обнаружения выявляемых структур для каждой точки местоположения производят сравнение вычисленных значений авто- и взаимокорреляционных функций с порогом, который устанавливается пропорциональным среднему значению мощности принятого сигнала, и определение значений частот наступления структурно-параметрического поляризационного резонанса и соответствующих времен запаздывания. Полученные значения являются исходными для расчета глубин залегания, геометрических и физических характеристик (диэлектрической и магнитной проницаемости - показателя преломления) выявленных структур. Показатель преломления i-й структуры рассчитывают по формуле (2)
- 4 -
009971
а глубину ее залегания (толщину) - по формуле (3)
где di - текущее значение величины базы приема (расстояние между радиопередающим и вынесенным
радиоприемным устройствами).
At = t -t *-"з; l3j hi-i i
№ =/' ~t'
3! 1 ii ' 3i-l ' I . ,t' . ,t' .
- времена запаздывания принятых сигналов относительно излученного для верхней и нижней границ i-й структуры в режимах совмещенного и разнесенного приема соответственно;
лр _ г _ р
Pki Pki P(k-l)i '
Р F
J pki'rp(k-!)i ¦ "
Ai - значения частоты вращения вектора поляризации, на которых для i-й структуры на-
блюдаются k и k-1 резонансы соответственно.
Одновременно в систему 9 обработки данных от систем 7 передачи данных и позиционирования поступает информация об относительном взаимном расположении радиопередающего и радиоприемных устройств, а от системы 8 топопривязки, в качестве которой используют систему GPS, - информация об абсолютных координатах точек местоположения радиопередающего устройства 2, что обеспечивается выдачей на указанные системы 7 опросных сигналов с системы 1 управления. Получаемую информацию запоминают и после проведения зондирования на исследуемом участке местности используют для последующей обработки при формировании 2D- и 3D-изображений.
На втором этапе результаты обработки, полученные на первом этапе для каждого из N радиоприемных устройств 3-1, 3-N для каждой точки местоположения радиопередающего устройства, подвергают совместной обработке с целью получения 2D- или 3D-изображений земных недр с определением геометрических и физических характеристик выявленных структур. 2D-изображение формируют в координатах: глубина - линейная координата на поверхности (вертикальная по отношению к поверхности земли плоскость), путем объединения данных, полученных для каждой точки зондирования в результате расчетов по формулам (2) и (3). 3D-изображение формируют в координатах: глубина - две ортогональные линейные координаты на поверхности. Для его формирования используется совместная обработка данных, полученных от каждого из N радиоприемных устройств 3-1, 3-N, в основе которой лежит принцип инвариантности преобразований, осуществляемых в двух взаимосвязанных подпространствах псевдоевклидова пространства: пространство-время и пространственная частота-частота, описываемых соотношениями
(x2+/+22)-cV =С .
\К/ + К/ + К: 2)- со 2 J с 2 = J / С,
где х, у, z - текущие значения линейных координат; с - скорость света; t - текущее время;
со - текущее значение частоты сигнала;
Kx, Ky, Kz - текущие значения проекций пространственной частоты вектора поляризации на оси координат;
С - константа.
На фиг. 2 представлена структурная схема радиоприемного устройства 3-1, 3-N. Радиоприемные устройства 3-1, 3-N построены по одинаковой типовой схеме. Для обеспечения возможности последующего анализа поляризационной структуры принятого сигнала они содержат по два идентичных канала приема, каждый из которых содержит усилитель высоких частот (УВЧ) 10, смеситель 11, ко второму входу которого подключен общий гетеродин 12, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 13, детектор 14 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15. Полоса пропускания радиоприемных устройств 3-1, 3-N согласуется с диапазоном перестройки частоты вращения вектора поляризации.
На фиг. 3 представлен типовой вид суммарного сигнала после накопления в координатах: относительная амплитуда-время. Наличие всплесков амплитуды является следствием наступления структурно-параметрического поляризационного резонанса при прохождении зондирующего сигнала через исследуемые структуры.
На фиг. 4 представлен типовой вид автокорреляционной функции накопленного сигнала в координатах: время-частота вращения вектора поляризации-относительная амплитуда.
- 5 -
009971
Местоположение всплесков в указанной системе координат несет информацию о времени запаздывания сигнала, отраженного от соответствующей структуры (времени наступлении структурно-параметрического поляризационного резонанса на соответствующей структуре), и значениях частот вращения вектора поляризации, при которых на данных структурах имеет место структурно-параметрический поляризационный резонанс.
На фиг. 5 представлен пример 2D-изображения структуры выявленных слоев в координатах: линейная координата на поверхности-глубина (вертикальная по отношению к поверхности земли плоскость). Сплошными линиями показаны текущие значения глубин залегания границ выявленных слоев, отличающихся присущими им значениями показателя преломления (диэлектрической и магнитной проницаемости), представленными на фиг. 6.
На фиг. 6 представлена зависимость полученного по данным зондирования значения квадрата показателя преломления (диэлектрической проницаемости) от глубины для начальной точки профиля представленной на фиг. 5 структуры. Наличие полученной в результате радиолокационного зондирования информации о величине диэлектрической (магнитной) проницаемости выявленных структур, с одной стороны, и справочных данных о диэлектрических (магнитных) свойствах залегающих в земных недрах пород, с другой стороны, обеспечивает возможность геологической интерпретации получаемых данных.
На фиг. 7 представлен пример геологической интерпретации результатов зондирования, представленных на фиг. 5, 6.
На фиг. 8 представлен пример 3D-изображения структуры земных недр в виде последовательности выявленных слоев с привязкой к сетке координат. Данное изображение получено путем пространственного наложения 2D-изображений профилей (вертикальных сечений), снятых через 100 м.
На фиг. 9 представлен пример схемы расположения на местности радиоприемных устройств 5-1, ... , 5-5 и путей перемещения радиопередающего устройства 2 и одного из радиоприемных устройств 5-5. Расстояние между точками проведения зондирования определяется требованиями к точности воспроизведения структуры земных недр и может колебаться в пределах 0,02-0,1 значения расстояния между разнесенными радиоприемными устройствами.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ радиолокационного зондирования земных недр, заключающийся в том, что формируют с помощью радиопередающего устройства зондирующий сигнал, обеспечивающий при
его излучении формирование электромагнитного поля с эллиптической поляризацией и перестраиваемой по выбранному закону в течение длительности сигнала частотой вращения вектора поляризации,
излучают сформированный зондирующий сигнал в направлении земной поверхности,
осуществляют с помощью N приемных антенн и N радиоприемных устройств раздельный прием квадратурных составляющих сигналов, отраженных от разведываемых подповерхностных структур, в режимах совмещенного и разнесенного приема при одновременном сохранении информации о текущем взаимном расположении радиопередающего и радиоприемных устройств,
выполняют в каждом радиоприемном устройстве предварительную обработку принятых сигналов, включающую в себя раздельную фильтровую обработку квадратурных составляющих поляризационной структуры сигналов, их квантование и дискретизацию,
выполняют совместную обработку полученных результатов предварительной обработки, включающую в себя вычисление суммарного относительно квадратурных поляризационных составляющих сигнала, принятого каждым радиоприемным устройством, определение автокорреляционных функций для режима совмещенного приема и взаимокорреляционных функций для режима разнесенного приема,
определяют частоты поляризационных резонансов и соответствующие времена запаздывания принятых сигналов, отраженных от каждой подповерхностной структуры, и определяют с учетом координат точек проведения зондирования, а также величин баз при разнесенном приеме глубины залегания разведываемых структур, их геометрические и физические характеристики.
2. Способ по п.1, в котором зондирующий сигнал формируют в виде пачки радиоимпульсов, при этом период повторения импульсов выбирают из условия однозначного измерения глубины залегания исследуемых структур.
3. Способ по п.1, в котором N-1 радиоприемных устройств располагают по периметру исследуемого участка местности, а радиопередающее устройство совместно с одним из радиоприемных устройств перемещают в пределах участка.
4. Способ по п.1, в котором зондирующий сигнал излучают с использованием передающей антенны, содержащей ортогональные вибраторы, и формируют электромагнитное поле с эллиптической поляризацией и перестраиваемой частотой вращения вектора поляризации, при этом формирование упомянутого зондирующего сигнала осуществляют путем амплитудной модуляции и фазовой манипуляции высокочастотных колебаний, подаваемых на упомянутые ортогональные вибраторы, причем фазовая манипуляция синхронизована с модулирующими напряжениями, формируемыми для осуществления амплитудной модуляции, при этом текущее значение частоты модулирующих напряжений определяет текущее
- 6 -
009971
значение частоты вращения вектора поляризации, которая не зависит от частоты высокочастотных колебаний.
5. Способ по п.4, в котором частоту вращения вектора поляризации излучаемого сигнала перестраивают в диапазоне до нескольких октав.
6. Устройство для радиолокационного зондирования земных недр, содержащее радиопередающее устройство с передающей антенной для формирования электромагнитного поля с
эллиптической поляризацией и перестраиваемой по выбранному закону в течение длительности зондирующего сигнала частотой вращения вектора поляризации,
N радиоприемных устройств с соответствующими N приемными антеннами для приема сигналов, отраженных от разведываемых подповерхностных структур, причем одно из упомянутых радиоприемных устройств размещают на исследуемом участке местности совместно с упомянутым радиопередающим устройством для реализации режима совмещенного приема, а остальные радиоприемные устройства размещают на исследуемом участке местности с разнесением для реализации режима разнесенного приема,
N систем передачи данных и позиционирования, систему управления, систему обработки данных и систему топопривязки,
причем выходы радиоприемных устройств через соответствующие системы передачи данных и позиционирования соединены с системой обработки данных, выходы системы управления соединены с радиопередающим устройством и системой обработки данных, вторые выходы систем передачи данных и позиционирования соединены с входами системы топопривязки, выход которой соединен с системой обработки данных.
7. Устройство по п.6, в котором приемная антенна каждого из N радиоприемных устройств выполнена с возможностью разделения принятого отраженного сигнала на квадратурные составляющие поляризационной структуры сигнала.
8. Устройство по п.7, в котором каждое радиоприемное устройство выполнено двухканальным для предварительной обработки принятых сигналов, причем каждый канал включает средства фильтрации соответствующей квадратурной составляющей поляризационной структуры сигналов, их квантования и дискретизации.
9. Устройство по п.8, в котором система обработки данных содержит средство совместной обработки результатов предварительной обработки, предназначенное для вычисления суммарного относительно квадратурных поляризационных составляющих сигнала, принятого каждым радиоприемным устройством, определения автокорреляционных функций для режима совмещенного приема и взаимокорреляционных функций для режима разнесенного приема,
средство обнаружения выявляемых структур по наличию структурно-параметрических поляризационных резонансов,
средство определения частот поляризационных резонансов и соответствующих времен запаздывания сигналов, отраженных от каждой подповерхностной структуры,
средство для определения глубин залегания разведываемых структур с учетом координат точек проведения зондирования, а также величин баз при разнесенном приеме, геометрических и физических характеристик разведываемых структур и
средство для построения 2D- и ЗБ-изображений и геологической интерпретации полученных результатов.
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
МОДУЛЯТОР
7-1
СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
СПД
ПОЗИЦИОНЕР.
РАДИОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
РАДИОПРИЕМНОЕ УСТ - ВО 1
5-1
СИСТЕМА ТОПОПРИВЯЗ-КИ
7-N _ 3-N
¦4-
СПД
ПОЗИЦИОНИР.
S-N
РАДИОПРИЕМНОЕ УСТ - ВО
Фиг. 1
- 7 -
009971
009971
Профиль Р 2,1 E-W
500
15Ш
2000
2500 ¦
3000 -
0 0.5 1 1.5
2.5 3, 3.5
Расстояние, км
Фиг. 5
Распределение Em точка 2i-w
4.5
1 \
_]__I
10 15 20 2S Я
Величина Етотн.
Фиг. 6 в 4S
- 9 -
009971
EDO ¦
1000
-2000 ¦
3000 ¦
Распределение отн. диэлектрической проницаемости и результаты геологической интерпретации в опорной точке
¦¦: :^HE4Vл?ЦГЯИН0К:. • 'ПЕСКИ* '{ВОДОНОСНИЙ-'СЛОН)" -.ГЛИНЫ С ПРОСПОЯКАНИ ПЕСКА : " .ШИН
•ПЕСКИ с лрссюаыии глмш дадоносныа'сюй) ¦ глины' '•'* : '
ГЛИНЫ, ПЕСКИ '
опоки глины
АЛЕВРОЛИТ^ г
ПЕСКИ С ПРОСЛОЙКАМ ГЛШШ
глины
' ПЕСОК. ЛЛЕВРОЛИТЛ
аши-оааш ; ШЕРШШШ. глины, песчлниш
ЛРГИПЛИТИ
-дргшшгты. глши ' - ПЕСКИ: ;:(П01ЕН1(ИЛВШ1Ш 'КОЛЛЕКТОР*) АЛЕВРОЛИТЫ, ГЛИНА . 1
I. '. • . . I
120
Величина отн. диэлектрической проницаемости
Фиг. 7
Фиг. 8
- 10 -
009971
Фиг. 9
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 11 -
1 I I -г