RU160453U1 - 3D georadiograph - Google Patents
3D georadiograph Download PDFInfo
- Publication number
- RU160453U1 RU160453U1 RU2015148267/07U RU2015148267U RU160453U1 RU 160453 U1 RU160453 U1 RU 160453U1 RU 2015148267/07 U RU2015148267/07 U RU 2015148267/07U RU 2015148267 U RU2015148267 U RU 2015148267U RU 160453 U1 RU160453 U1 RU 160453U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- signal
- microcontroller
- dimensional
- Prior art date
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000001934 delay Effects 0.000 claims description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 7
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000009933 burial Methods 0.000 description 2
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 2
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 2
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000011150 reinforced concrete Substances 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
1. Трехмерный (3D) георадиотомограф, отличающийся тем, что содержит: генератор сверхширокополосного (СШП) сигнала в режиме линейно-частотной модуляции (ЛЧМ), соединенный первым и вторым выходами соответственно с входом усилителя сигнала и первым входом смесителя, при этом выход усилителя сигнала соединен с входом блока электронных переключателей, который первым входом-выходом соединен с антенной решеткой, где антенная решетка формирует сигнал линейной поляризации, а ее модули каскадно объединены в линейку и каждый модуль состоит из 4 приемных и 4 передающих антенн для диапазона 0.5-2 ГГц и 8 приемных и 8 передающих антенн для диапазона 2-8 ГГц, а выход блока электронных переключателей соединен со вторым входом смесителя, выход которого соединен с входом квадратурного фазового детектора для регистрации сигнала, рассеянного от обнаруженных объектов и неоднородностей, выход которого соединен с вторым входом микроконтроллера, который выполнен с возможностью формировать синхроимпульсы для генерации СШП-сигнала в режиме ЛЧМ, сигналы переключения каналов, осуществлять оцифровку и первичную обработку принятого сигнала, при этом вход-выход микроконтроллера соединен с входом-выходом управляющего устройства для постобработки сигналов и формирования трехмерной томограммы исследуемого пространства, где первый выход микроконтроллера соединен с входом генератора СШП сигнала в режиме ЛЧМ, а второй его выход соединен с входом блока коммутации каналов антенной решетки для переключения приемных и передающих антенн в режиме тактирования, который своим входом-выходом подключен к второму входу-выходу блока электронных переключателей, и блок на1. Three-dimensional (3D) georadiotomograph, characterized in that it contains: an ultra-wideband (UWB) signal generator in the linear frequency modulation (LFM) mode, connected by the first and second outputs respectively to the input of the signal amplifier and the first input of the mixer, while the output of the signal amplifier connected to the input of the electronic switch block, which is connected to the antenna array by the first input-output, where the antenna array generates a linear polarization signal, and its modules are cascaded into a line and each module consists of 4 devices and 4 transmit antennas for the 0.5–2 GHz band and 8 receive and 8 transmit antennas for the 2–8 GHz band, and the output of the electronic switch block is connected to the second input of the mixer, the output of which is connected to the input of the quadrature phase detector for recording the signal scattered from detected objects and heterogeneities, the output of which is connected to the second input of the microcontroller, which is configured to generate clock pulses for generating the UWB signal in the LFM mode, channel switching signals, digitizing and primary processing of the received signal, while the input-output of the microcontroller is connected to the input-output of the control device for post-processing of signals and the formation of a three-dimensional tomogram of the studied space, where the first output of the microcontroller is connected to the input of the UWB signal generator in the LFM mode, and its second output is connected to the input of the block switching channels of the antenna array for switching receiving and transmitting antennas in a clock mode, which is connected to the second input-output of the electronic switches and unit on
Description
Область техникиTechnical field
Полезная модель относится к радиолокационным устройствам для обнаружения и пространственной локализации объектов и неоднородностей, скрытых в различных средах (грунт, дорожные покрытия, строительные конструкции, поиск людей под лавинами и др.), в частности, представляет собой устройство радиоволнового подповерхностного 3D-зондирования.The utility model relates to radar devices for the detection and spatial localization of objects and inhomogeneities hidden in various environments (soil, road surfaces, building structures, people searching under avalanches, etc.), in particular, it is a radio-wave subsurface 3D-sensing device.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время существует потребность в создании современных программно-аппаратных средств обнаружения и визуализации различных скрытых объектов и предметов. При этом возникает задача создания таких средств обнаружения, которые позволяют использовать их без вреда для человека и окружающей среды. Так широкое применение получили радиоволновые томографы миллиметрового диапазона длин волн, которые призваны обеспечить возможность эффективного обнаружения, контроля и пространственной локализации объектов и неоднородностей.Currently, there is a need to create modern software and hardware for detecting and visualizing various hidden objects and objects. In this case, the task arises of creating such detection tools that allow them to be used without harm to humans and the environment. So widespread use were millimeter wave radio tomographs, which are designed to provide the ability to effectively detect, control and spatial localize objects and inhomogeneities.
Из уровня техники известны устройства подповерхностного зондирования. Так известен Георадар-обнаружитель "АБ-400СН" Бюро Научно-Технической Информации «Техника для спецслужб», опуб. 13.07.2012. Представленное устройство предназначено для радиоволнового зондирования сквозь стены. Работает в частотном диапазоне 400 МГц с разрешающей способностью 0.15 м и позволяет обнаруживать за преградами людей по их движению через железобетонные и многослойные строительные конструкции. При обнаружении оператор видит на экране монитора отметки от движущихся людей и слышит изменяющийся по тону звуковой сигнал, характеризующий приближение или удаление человека от точки наблюдения.The prior art devices for subsurface sounding. So known Georadar-detector "AB-400SN" Bureau of Scientific and Technical Information "Equipment for special services", publ. 07/13/2012. The presented device is intended for radio-wave sounding through walls. It operates in the 400 MHz frequency range with a resolution of 0.15 m and allows people to be detected beyond the barriers by their movement through reinforced concrete and multilayer building structures. Upon detection, the operator sees marks from moving people on the monitor screen and hears a sound signal varying in tone, characterizing the approach or removal of a person from the observation point.
Недостатками устройства являются низкая эффективность обнаружения объектов, отсутствие поперечного разрешения и недостаточное разрешение по дальности.The disadvantages of the device are the low detection efficiency of objects, the lack of transverse resolution and insufficient resolution in range.
Наиболее близким аналогом-прототипом по назначению и технической сущности к предложенной полезной модели является многофункциональный радиовизор, известный из патента RU 2139522 С2 опуб. 1999-10-10, МПК G01S 13/95, который предназначен для получения голографического изображения на основе измерения параметров, электромагнитного и теплового излучения объекта в частном диапазоне с высокой степенью чувствительности. Устройство содержит: передающий канал, включающий генератор, усилитель и излучающую антенну, приемный канал, включающий смеситель, переключатель, усилитель низкой частоты (НЧ), квадратичный детектор и приемную антенну, приемный и передающий каналы соединены с ЭВМ., приемные каналы и дополнительную антенну, передающий канал содержит генератор подсветки, выход которого соединен с излучающей антенной, а к входам подключены контроллер, блок синхронизации по сверхвысокой частоте (СВЧ) и задающий генератор, вход контроллера соединен с ЭВМ, а выходы подключены к входу задающего генератора, блоку синхронизации по СВЧ, гетеродину и шине управления по НЧ соответственно, выходы блока синхронизации по СВЧ соединены с другим входом задающего генератора и входом усилителя соответственно, другой выход задающего генератора подключен к последовательно соединенным гетеродину, усилителю и многоканальному делителю мощности, каждый приемный канал содержит переключатель, соединенный с приемной антенной, источником шумового сигнала и вторым входом смесителя, первый вход которого соединен с многоканальным делителем мощности передающего канала, первую цепочку, состоящую из последовательно соединенных усилителя промежуточной частоты, квадратичного детектора и первого синхронного детектора, вторую цепочку, состоящую из последовательно соединенных усилителя по НЧ и второго синхронного детектора, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), входы которого подключены через первую и вторую цепочки к выходу смесителя, а выход подключен к ЭВМ, блок синхронизации по НЧ, выходы которого соединены с переключателем, входом первого и входом второго синхронных детекторов соответственно, а вход через шины управления по НЧ соединен с контроллером передающего канала, причем приемные антенны выполнены как моноблок, расположенный в фокусе дополнительной антенны.The closest analogue-prototype in purpose and technical nature of the proposed utility model is a multifunctional radio camera, known from patent RU 2139522 C2 publ. 1999-10-10, IPC G01S 13/95, which is designed to obtain a holographic image based on measurement of parameters, electromagnetic and thermal radiation of an object in a private range with a high degree of sensitivity. The device comprises: a transmitting channel including a generator, an amplifier and a radiating antenna, a receiving channel including a mixer, a switch, a low-frequency amplifier (LF), a quadratic detector and a receiving antenna, receiving and transmitting channels are connected to a computer, receiving channels and an additional antenna, the transmitting channel contains a backlight generator, the output of which is connected to the radiating antenna, and a controller, an ultra-high frequency (microwave) synchronization unit and a master oscillator, the controller input is connected to the computer, and you are connected to the inputs, and you moves are connected to the input of the master oscillator, the synchronization unit for microwave, local oscillator and the control bus for the low frequency, respectively, the outputs of the synchronization unit for microwave are connected to the other input of the master oscillator and the input of the amplifier, respectively, the other output of the master oscillator is connected to the serial oscillator, amplifier and multi-channel divider power, each receiving channel contains a switch connected to the receiving antenna, a noise signal source and a second input of the mixer, the first input of which is connected with a multi-channel power divider of the transmitting channel, the first chain consisting of a series-connected amplifier of an intermediate frequency, a quadratic detector and a first synchronous detector, a second chain consisting of a series-connected amplifier of a low frequency and a second synchronous detector, an analog-to-digital converter (ADC), whose inputs connected through the first and second chains to the output of the mixer, and the output is connected to a computer, the bass synchronization unit, the outputs of which are connected to the switch, the input of the first and input one of the second synchronous detectors, respectively, and the input via the control bus over the low frequency is connected to the controller of the transmitting channel, and the receiving antennas are made as a monoblock located at the focus of the additional antenna.
Недостатками радиовизора является недостаточное разрешение по дальности и сложность конструкции, реализующей фокусировку излучения с использованием дополнительной зеркальной антенны.The disadvantages of the radio imager are the lack of resolution in range and the complexity of the design that implements the focusing of radiation using an additional mirror antenna.
Известно сверхширокополосное (СШП) излучение, обладающее высоким продольным пространственным разрешением, что важно для обнаружения скрытых объектов за диэлектрическими препятствиями. СШП излучение обеспечивает достаточное проникновение за препятствия, что обеспечивает возможность обнаружения объектов путем построения томограммы интересующей области пространства. При разработке алгоритмов построения томограммы, следует обеспечить их устойчивость к шумам и помехам, которые вносят отрицательное влияние на принятый сигнал, а также обеспечить быстродействие и простоту реализации алгоритма формирования и обработки сигналов.Ultrawideband (UWB) radiation is known to have a high longitudinal spatial resolution, which is important for detecting hidden objects behind dielectric obstacles. UWB radiation provides sufficient penetration beyond obstacles, which makes it possible to detect objects by constructing a tomogram of a region of space of interest. When developing algorithms for constructing a tomogram, it is necessary to ensure their immunity to noise and interference, which negatively affect the received signal, as well as to ensure the speed and simplicity of the implementation of the algorithm for generating and processing signals.
Соответственно, необходимо разработать 3D георадиотомограф - устройство радиолокационного подповерхностного радиоволнового зондирования СШП сигналами в диапазоне 0.5-8 ГГц, не имеющего указанных недостатков. Предложенный 3D георадиотомограф позволяет обеспечить обнаружение объектов, путем построения трехмерной томограммы интересующей области пространства, с высоким пространственным разрешением и быстродействием, а также обеспечить возможность применения модульной антенной решетки, реализующей фокусировку на основе синтезирования большой апертуры, упростить техническую часть и снизить стоимость устройства. Таким образом, предложенная полезная модель позволяет устранить недостатки предшествующего уровня техники.Accordingly, it is necessary to develop a 3D georadiotomograph — a device for radar subsurface radio wave sounding of UWB signals in the range of 0.5–8 GHz, which does not have these drawbacks. The proposed 3D georadiotomograph allows the detection of objects by constructing a three-dimensional tomogram of the region of space with high spatial resolution and speed, as well as the ability to use a modular antenna array that implements focusing based on the synthesis of a large aperture, simplify the technical part and reduce the cost of the device. Thus, the proposed utility model eliminates the disadvantages of the prior art.
Сущность полезной моделиUtility Model Essence
Указанный технический результат достигается тем, что предложен 3D георадиотомограф (устройство радиоволнового подповерхностного 3D-зондирования), отличающийся тем, что содержит генератор сверхширокополосного (СШП) сигнала в режиме линейно-частотной модуляции (ЛЧМ), соединенный первым и вторым выходом соответственно с входом усилителя сигнала и первым входом смесителя, при этом выход усилителя сигнала соединен с входом блока электронных переключателей, который первым входом-выходом соединен с антенной решеткой, где антенная решетка формирует сигнал линейной поляризации, ее модули каскадно-объединены в линейку, а выход блока электронных переключателей соединен со вторым входом смесителя, выход которого соединен с входом квадратурного фазового детектора для регистрации сигнала, рассеянного от обнаруженных объектов и неоднородностей, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера, который выполнен с возможностью выдавать синхроимпульсы для генерации сверхширокополосного ЛЧМ сигнала, сигналы переключения каналов, осуществлять оцифровку и первичную обработку принятого сигнала, при этом вход-выход микроконтроллера соединен с входом-выходом управляющего устройства для постобработки сигналов и формирования трехмерной томограммы (радиоизображения) исследуемого пространства, где первый вход микроконтроллера соединен с выходом блока навигации, а первый выход микроконтроллера соединен с входом генератора СШП сигнала в режиме ЛЧМ, а второй выход микроконтроллера соединен с входом блока коммутации каналов антенной решетки для переключения приемных и передающих антенн в режиме тактирования, который своим входом-выходом подключен к второму входу-выходу блока электронных переключателей.The indicated technical result is achieved by the fact that a 3D georadiotomograph (radio wave subsurface 3D sounding device) is proposed, characterized in that it comprises an ultra-wideband (UWB) signal generator in the linear frequency modulation (LFM) mode connected to the first and second output, respectively, with the input of the signal amplifier and the first input of the mixer, while the output of the signal amplifier is connected to the input of the electronic switch block, which is connected to the antenna array by the first input-output, where the antenna array is generates a linear polarization signal, its modules are cascaded into a line, and the output of the electronic switch block is connected to the second input of the mixer, the output of which is connected to the input of the quadrature phase detector to register the signal scattered from the detected objects and inhomogeneities, the output of which is connected to the second input of the microcontroller which is configured to provide clock pulses for generating an ultra-wideband LFM signal, channel switching signals, digitizing and primary processing the received signal, while the input-output of the microcontroller is connected to the input-output of the control device for post-processing signals and the formation of a three-dimensional tomogram (radio image) of the space under study, where the first input of the microcontroller is connected to the output of the navigation unit, and the first output of the microcontroller is connected to the input of the UWB signal generator in the LFM mode, and the second output of the microcontroller is connected to the input of the channel switching unit of the antenna array to switch the receiving and transmitting antennas in clock mode, which is connected by its input-output to the second input-output of the electronic switch block.
Предпочтительным вариантом осуществления полезной модели является выполнение устройства, в котором антенная решетка излучает и принимает сигнал линейной поляризации, а модули антенной решетки каскадно объединены в линейку. Каждый модуль состоит из 4-х приемных и 4-х передающих антенн для диапазона 0.5-2 ГГц и 8-ми приемных и 8-ми передающих антенн для диапазона 2-8 ГГц.The preferred embodiment of the utility model is the implementation of a device in which the antenna array emits and receives a linear polarization signal, and the antenna array modules are cascaded into a line. Each module consists of 4 receiving and 4 transmitting antennas for the range of 0.5-2 GHz and 8 receiving and 8 transmitting antennas for the range of 2-8 GHz.
Предпочтительным вариантом осуществления полезной модели является выполнение устройства, в котором блок навигации реализован как оптический квадратурный энкодер с модулем кинематики в реальном времени (RTK) приемника системы глобального позиционирования (GPS).A preferred embodiment of the utility model is a device in which the navigation unit is implemented as an optical quadrature encoder with a real-time kinematics module (RTK) of a global positioning system (GPS) receiver.
Предпочтительным вариантом осуществления полезной модели является выполнение устройства, в котором микроконтроллер и управляющее устройство обеспечивают фокусировку зарегистрированных СШП сигналов. Фокусировка осуществляется путем последовательного суммирования принятых сигналов с выравниванием временных задержек импульсов, рассеянных точкой с заданными координатами, причем в принятый сигнал вносятся задержки, соответствующие суммарному времени прохождения сигнала от передатчика до объекта и обратно от объекта до приемника, амплитуды сигналов, соответствующие рассчитанным задержкам складываются, и полученный результат является точкой томограммы (радиоизображения) с соответствующими координатами. Проведя операцию фокусировки для каждой точки выбранного объема пространства, строится его трехмерная томограмма (радиоизображение).A preferred embodiment of the utility model is the implementation of a device in which a microcontroller and a control device provide focusing of the recorded UWB signals. Focusing is carried out by sequentially summing the received signals with the equalization of the time delays of the pulses scattered by the point with the given coordinates, and delays corresponding to the total time of the signal from the transmitter to the object and back from the object to the receiver are introduced into the received signal, the signal amplitudes corresponding to the calculated delays are added, and the result is the point of the tomogram (radio image) with the corresponding coordinates. Having performed the focusing operation for each point of the selected volume of space, a three-dimensional tomogram (radio image) is built.
Предпочтительным вариантом осуществления полезной модели является выполнение устройства, в котором микроконтроллер осуществляет первичную обработку принятого сигнала, используя алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ).A preferred embodiment of the utility model is the implementation of a device in which the microcontroller performs primary processing of the received signal using fast Fourier transform (FFT) algorithms.
Таким образом, все отличительные от прототипа признаки предложенного устройства направлены на получение указанного технического результата.Thus, all distinctive features of the prototype of the proposed device are aimed at obtaining the specified technical result.
Проведенный анализ уровня техники и прототипа позволяет определить, что предложенное техническое решение, характеризующееся описанной совокупностью существенных признаков является новым, а возможность его использования в промышленности определяет его как промышленно применимым.The analysis of the prior art and the prototype allows us to determine that the proposed technical solution, characterized by the described set of essential features, is new, and the possibility of its use in industry defines it as industrially applicable.
Эти и другие аспекты предложенного устройства станут очевидными и будут объяснены ссылками на чертеж и вариантами реализации, описанными в дальнейшем.These and other aspects of the proposed device will become apparent and will be explained with reference to the drawing and the implementation options described later.
Перечень фигурList of figures
На фиг. 1 показана общая блок-схема предложенного устройства 3D георадиотомографа.In FIG. 1 shows a General block diagram of the proposed device 3D GPR.
Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation
Задача по сканированию сплошных сред требует обеспечения высокого пространственного разрешения устройства в поперечном и продольном направлениях. Разрешающая способность устройства зависит от размера апертуры антенны, расстояния до объекта обнаружения, центральной частоты и полосы частот сигнала. Пространственное разрешение устройства в поперечном направлении определяется шириной диаграммы направленности приемо-передающей антенны по уровню половинной мощности, т.е. чем уже ширина главного лепестка в диаграмме, тем выше разрешение. Ширина диаграммы направленности обратно пропорциональна размерам излучающей апертуры, т.е. размеру антенны. Общий принцип функционирования предложенного устройства объемного подповерхностного зондирования заключается в том, что для реализации высокого разрешения ЛЧМ устройства в поперечном направлении используется антенная решетка с распределенными приемными и передающими СШП антеннами, которая осуществляет зондирование среды с разных ракурсов. При этом для обнаружения и локализации неоднородностей используется метод математической фокусировки и технология радара с синтезированием апертуры. Для этого все зарегистрированные антенной решеткой СШП сигналы суммируются в фазе для каждой задаваемой точки фокусировки с коррекцией существующего запаздывания. Таким образом, фокусировка осуществляется путем последовательного суммирования принятых сигналов с выравниванием временных задержек импульсов, рассеянных точкой с заданными координатами. В принятый сигнал вносятся задержки, соответствующие суммарному времени прохождения сигнала от передатчика до объекта и обратно от объекта до приемника. После чего амплитуды сигналов, соответствующие рассчитанным задержкам складываются. Полученный результат является точкой радиоизображения с соответствующими координатами. Проведя операцию фокусировки для каждой точки выбранного объема пространства, строится трехмерное радиоизображение. Операция фокусировки проводится в частотной области с применением быстрых алгоритмов обработки, что позволяет реализовывать трехмерные томограммы исследуемого пространства в режиме реального времени.The task of scanning continuous media requires a high spatial resolution of the device in the transverse and longitudinal directions. The resolution of the device depends on the size of the aperture of the antenna, the distance to the detection object, the center frequency and frequency band of the signal. The spatial resolution of the device in the transverse direction is determined by the width of the radiation pattern of the transceiver antenna at half power level, i.e. the narrower the width of the main lobe in the diagram, the higher the resolution. The width of the radiation pattern is inversely proportional to the size of the radiating aperture, i.e. the size of the antenna. The general principle of operation of the proposed device for volumetric subsurface sounding is that to implement a high-resolution chirp device in the transverse direction, an antenna array with distributed receiving and transmitting UWB antennas is used, which senses the medium from different angles. In this case, the method of mathematical focusing and radar technology with aperture synthesis are used to detect and localize inhomogeneities. To do this, all UWB signals recorded by the antenna array are summed in phase for each given focus point with correction of the existing delay. Thus, focusing is carried out by sequentially summing the received signals with equalization of the time delays of the pulses scattered by a point with given coordinates. Delays corresponding to the total time of the signal from the transmitter to the object and back from the object to the receiver are introduced into the received signal. After that, the signal amplitudes corresponding to the calculated delays are added up. The result obtained is a radio image point with corresponding coordinates. Having performed the focusing operation for each point of the selected volume of space, a three-dimensional radio image is constructed. The focusing operation is carried out in the frequency domain using fast processing algorithms, which allows realizing three-dimensional tomograms of the investigated space in real time.
Работа устройства осуществляется следующим образом. По команде с программы управления устройством либо при начале движения (в зависимости от выбранного режима работы) запускается генерация СШП сигналов ЛЧМ генератором и регистрация рассеянного СШП сигнала приемником. Наведенные в приемной СШП антенне импульсы напряжения через смеситель подаются на вход квадратурного фазового детектора (приемника). Оцифрованный с помощью микроконтроллера сигнал с квадратурного фазового детектора поступает в управляющее устройство (ноутбук, планшет, смартфон), где он в последующем обрабатывается. Коммутация каналов антенной решетки осуществляется блоком управления, построенным на основе многоканальных электронных СШП коммутаторов. Полученные данные передаются на управляющее устройство, где производится обработка сигналов и формирование трехмерной томограммы исследуемой среды.The operation of the device is as follows. On command from the device control program or at the beginning of movement (depending on the selected operating mode), the generation of UWB signals by the LFM generator and registration of the scattered UWB signal by the receiver are started. The voltage pulses induced in the UWB receiving antenna are fed through the mixer to the input of the quadrature phase detector (receiver). The signal from the quadrature phase detector digitized using a microcontroller is fed to a control device (laptop, tablet, smartphone), where it is subsequently processed. Switching the channels of the antenna array is carried out by the control unit, built on the basis of multi-channel electronic UWB switches. The received data is transmitted to a control device, where the signals are processed and a three-dimensional tomogram of the medium under study is formed.
Данный подход был использован для ЛЧМ томографа с синтезированной апертурой, где как вариант, оценка дальности проводится не по отраженному ЛЧМ сигналу, а по радиоизображению, полученному методом синтезирования апертуры с фокусировкой. Другим отличием является привлечение корреляционного подхода для уточнения дальностного портрета зондируемого объекта. Так известно, что частота принятого ЛЧМ сигнала пропорциональна дальности до объекта и в спектре ЛЧМ сигнала содержится информация о форме объекта. Если провести корреляционную обработку дальностных профилей с некоторым опорным профилем, то, оценив положение максимумов корреляционных функций, можно построить форму поверхности всего исследуемого объекта. В качестве опорного профиля предлагается выбирать профиль с максимальной интенсивностью из полученного радиоизображения.This approach was used for a chirped tomograph with a synthesized aperture, where, as an option, the range is estimated not by the reflected chirp signal, but by the radio image obtained by focusing aperture synthesis. Another difference is the involvement of a correlation approach to clarify the range portrait of the probed object. It is well known that the frequency of the received LFM signal is proportional to the distance to the object and the spectrum of the LFM signal contains information about the shape of the object. If we carry out correlation processing of range profiles with some reference profile, then, having estimated the position of the maxima of the correlation functions, we can construct the surface shape of the entire object under study. As a reference profile, it is proposed to select a profile with maximum intensity from the received radio image.
Так фиг. 1 схематично иллюстрирует общую блок-схему предложенного устройства 3D георадиотомографа. Генератор 1 обеспечивает линейно частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал с перестройкой 0,5-2 ГГц и 2-8 ГГц в режиме линейно-частотной модуляции, с частотой перестройки до 10 кГц. Усилитель 2 обеспечивает усиление ЛЧМ сигнала на выходе до 100 мВт. Смеситель 3 обеспечивает выделение принятого сигнала на промежуточной частоте (ПЧ) для регистрации низкочастотными АЦП. Электронные переключатели 4 обеспечивают коммутацию приемных и передающих элементов антенной решетки с частотой до 20 КГц. Квадратурный фазовый детектор (приемник) 6 обеспечивает прием C и S компонент сигнала, по которым рассчитывается амплитуда и фаза сигнала. Антенная решетка 5, в которой один антенной модуль содержит 4/8 приемных и 4/8 передающих антенн с линейной поляризацией. Блок коммутации каналов решетки 7 обеспечивает переключение приемных и передающих антенн в режиме тактирования. Режим тактирования сверхширокополосной (СШП) антенной решетки, заключающегося во всевозможной комбинации пар приемной и передающей СШП антенн из всех модулей антенной решетки. Принцип тактирования антенных решеток, обеспечивает последовательный электронный перебор пар активных передающих и приемных антенн и позволяет ускорить снятие необходимых для дистанционной томографии локационных проекций исследуемой сцены неоднородностей при сохранении взаимного влияния антенных элементов на заданном минимально допустимом уровне. В результате реализуется эквивалентная решетка той же апертуры, состоящая из N приемопередающих антенн. Микроконтроллер 8 выдает синхроимпульсы для генерации ЛЧМ, переключения каналов по заданной программе, оцифровку принятого сигнала, первичную обработку ЛЧМ сигнала, используя алгоритмы БПФ. Управляющее устройство 9, которое включает исполняемую компьютерную программу для постобработки сигналов и формирования трехмерной томограммы исследуемого пространства, например, с помощью алгоритмов на основе простанствено-согласованной фильтрации. Программное обеспечение позволяет получать трехмерные растровые изображения исследуемого пространства с возможностью представления трехмерных изображений послойно в виде набора изображений, полученных при различных сечениях зондируемого объема вдоль выбранного направления, также возможна трехмерная визуализация неоднородностей. Исходя из анализа визуализированного изображения, оператор имеет точную картину объектов и может сделать вывод о наличии и расположении объектов (размер, форму, глубину расположения) и неоднородностей внутри сплошных сред. Блок навигации 10 обеспечивает позиционирование данных по треку пройденного пути для их привязки в процессе постобработки сигналов управляющим устройством 9. Блок навигации 10 может быть выполнен как оптический квадратурный энкодер, который преобразует линейное или угловое перемещение в последовательность сигналов, позволяющих определить величину перемещения с учетом сигналов позиционирования принятых модулем кинематики в реальном времени (RTK) приемника системы глобального позиционирования (GPS).So FIG. 1 schematically illustrates a general block diagram of a proposed 3D GPR device.
Полезная модель может быть использована в различных областях, в частности, для поиска и локализация различных дефектов в деревянных, кирпичных, железобетонных строительных конструкциях; обнаружение арматуры, скрытой проводки, инженерных коммуникаций; уточнение инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадок строительства. Определение толщин и структуры конструктивных слоев дорог, железнодорожной насыпи, определение геометрии кровли естественного основания и балластной призмы. Картирование подземных коммуникаций, выявление разуплотненных и обводненных участков. Изучение особенностей армирования бетонных плит покрытия, изучение инженерно-геологических условий участков, подверженных деформациям, определения местоположения подземных коммуникаций трубопроводов, кабелей, коллекторов и др., поиск археологических объектов захоронения, определение культурного слоя, досмотр людей с целью предотвращения провоза и хранения оружия, взрывчатых веществ и других запрещенных предметов, поиск криминальных захоронений, взрывных устройств, людей под лавинами или завалами при ликвидации последствий землетрясений.The utility model can be used in various fields, in particular, for search and localization of various defects in wooden, brick, reinforced concrete building structures; detection of fittings, concealed wiring, utilities; clarification of engineering-geological and hydrogeological conditions of construction sites. Determination of thickness and structure of structural layers of roads, railway embankment, determination of the geometry of the roof of the natural base and ballast. Mapping of underground utilities, identification of loose and flooded areas. Studying the features of reinforcing concrete slabs, studying the geotechnical conditions of areas subject to deformation, determining the location of underground utilities of pipelines, cables, collectors, etc., searching for archaeological burial sites, determining the cultural layer, inspecting people to prevent the transport and storage of explosive weapons substances and other prohibited items, the search for criminal burials, explosive devices, people under avalanches or rubble in the aftermath of earthquakes clarifications.
Технические характеристики 3D георадиотомографа: частотный диапазон 0.5-2 ГГц; 2-8 ГГц, мощность излучения на выходе приемопередатчика до 100 мВт, Количество приемопередающих модулей 8- 16-24-32, тип антенны синтезированная апертурная решетка, допустимый уровень отклонения всех характеристик не более 5%, точность определения глубины ±10 мм на диапазоне глубин 200 мм, максимальная глубина зондирования до 3 м, возможность непрерывного зондирования на скорости до 90 км/ч, разрешение сканирования вдоль антенной линейки 10 см; 3 см.Technical characteristics of 3D georadiotomograph: frequency range 0.5-2 GHz; 2-8 GHz, radiation power at the output of the transceiver up to 100 mW, Number of transceiver modules 8-16-24-32, antenna type synthesized aperture array, allowable level of deviation of all characteristics not more than 5%, accuracy of determining the depth of ± 10 mm in the depth range 200 mm, maximum sounding depth up to 3 m, the possibility of continuous sounding at speeds up to 90 km / h, scanning resolution along the
Полезная модель может быть осуществлена посредством аппаратных средств, содержащих несколько отличных элементов или посредством запрограммированного процессора/компьютера/планшета и др. Перечисленные средства или несколько из этих средств, например, микроконтроллер и управляющее устройство могут быть воплощены одним и тем же элементом аппаратных или программных средств, преимущественно в виде запрограммированного процессора или микросхемы и могут быть объединены в единое конструктивное устройство.The utility model can be implemented by means of hardware containing several excellent elements or by means of a programmed processor / computer / tablet, etc. The listed tools or several of these tools, for example, a microcontroller and a control device, can be embodied by the same element of hardware or software , mainly in the form of a programmed processor or microcircuit and can be combined into a single structural device.
Вышеупомянутые варианты осуществления полезной модели не являются исчерпывающими и приведены только с целью пояснения и подтверждения возможности ее промышленной применимости. Специалисты в данной области техники способны создавать альтернативные варианты ее осуществления без отрыва от объема приложенной формулы, но в пределах сущности полезной модели, отраженной в описании.The above-mentioned embodiments of the utility model are not exhaustive and are given only for the purpose of explaining and confirming the possibility of its industrial applicability. Specialists in the art are able to create alternative options for its implementation without interruption from the scope of the applied formula, but within the essence of the utility model reflected in the description.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015148267/07U RU160453U1 (en) | 2015-11-10 | 2015-11-10 | 3D georadiograph |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015148267/07U RU160453U1 (en) | 2015-11-10 | 2015-11-10 | 3D georadiograph |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU160453U1 true RU160453U1 (en) | 2016-03-20 |
Family
ID=55660873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015148267/07U RU160453U1 (en) | 2015-11-10 | 2015-11-10 | 3D georadiograph |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU160453U1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2682174C1 (en) * | 2018-04-19 | 2019-03-15 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Millimeter-range antenna array for the three-dimensional imaging radar system |
| RU2727087C1 (en) * | 2019-09-13 | 2020-07-17 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Spr sensor (subsurface probing radar) for assisting in navigation of technical device |
| RU2792068C1 (en) * | 2019-05-22 | 2023-03-16 | Метротек Корпорейшн | Underground communication line locator |
| US11867798B2 (en) | 2019-09-13 | 2024-01-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Electronic device including sensor and method of determining path of electronic device |
| US12455388B2 (en) | 2019-05-22 | 2025-10-28 | Metrotech Corporation | Underground line locator system with real time kinematic and global satellite positioning |
-
2015
- 2015-11-10 RU RU2015148267/07U patent/RU160453U1/en active
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2682174C1 (en) * | 2018-04-19 | 2019-03-15 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Millimeter-range antenna array for the three-dimensional imaging radar system |
| RU2792068C1 (en) * | 2019-05-22 | 2023-03-16 | Метротек Корпорейшн | Underground communication line locator |
| US12455388B2 (en) | 2019-05-22 | 2025-10-28 | Metrotech Corporation | Underground line locator system with real time kinematic and global satellite positioning |
| RU2727087C1 (en) * | 2019-09-13 | 2020-07-17 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Spr sensor (subsurface probing radar) for assisting in navigation of technical device |
| US11867798B2 (en) | 2019-09-13 | 2024-01-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Electronic device including sensor and method of determining path of electronic device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5835054A (en) | Ultra wideband ground penetrating radar imaging of heterogeneous solids | |
| US10989589B2 (en) | Interferometric vibration observation device, vibration observation program, recording medium, vibration observation method and vibration observation system | |
| US5796363A (en) | Automatic position calculating imaging radar with low-cost synthetic aperture sensor for imaging layered media | |
| US7190302B2 (en) | Sub-surface radar imaging | |
| US7460052B2 (en) | Multiple frequency through-the-wall motion detection and ranging using a difference-based estimation technique | |
| AU2002321657A1 (en) | Sub-surface radar imaging | |
| Pochanin et al. | Advances in short-range distance and permittivity ground-penetrating radar measurements for road surface surveying | |
| RU160453U1 (en) | 3D georadiograph | |
| Costanzo et al. | Low-cost radars integrated into a landslide early warning system | |
| Munir | Simulation design of compact stepped-frequency continuous-wave through-wall radar | |
| Miccinesi et al. | A GPR Able to Detect Its Own Position Using Fixed Corner Reflectors on Surface | |
| EP1711844B1 (en) | Multiple frequency through-the-wall motion detection and ranging using difference-based estimation technique | |
| RU2480787C1 (en) | Method and system for remote detection of objects | |
| Yue et al. | Atmospheric phase correction using permanent scatterers in ground-based radar interferometry | |
| Zhang et al. | A Novel Through‐the‐Wall Imaging Algorithm Combined with Phase Shift Migration and NUFFT | |
| RU2195683C2 (en) | Method determining direction on target | |
| EA009971B1 (en) | Method for radiolocation sounding of underlying surface and device therefor -.a complex of georadar reconnaissance | |
| Hirsch et al. | Indirect localization and imaging of objects in an UWB sensor network | |
| Ivashchuk et al. | Through-the-wall moving target surveillance using GPR | |
| Bilik et al. | Significant improvement of detection of underground rectilinear objects based on anisotropy measurements | |
| Taylor | Introduction to advanced ultrawideband radar systems | |
| RU2316015C1 (en) | Method for computer-interferometer localization of complex signals | |
| RU2602509C1 (en) | Method of generating a reference signal for combined processing of signals of standard and high accuracy of glonass system | |
| Takahashi et al. | Imaging of buried structures by a GPR combined with a self-tracking total station | |
| Shao et al. | Landslides monitoring with a squint angle based on GBSAR |