Технические требования, предъявляемые к навигационным устройствам и системам

Лекция 1. Технические требования, предъявляемые к навигационным устройствам и системам

Технические требования, предъявляемые к радионавигационным устройствам и системам, весьма многогранны и жестки, а часто и противоречивы. Эти требования обусловливаются разнообразием и сложностью задач, решаемых радионавигационными устройствами и системами. Особенно жесткие требования предъявляются к аппаратуре, размещаемой на скважинообразующих рабочих органах там, где действуют наибольшие перегрузки. Характеристика основных требований приводится ниже [1].

1.  Надежность. Под этим понятием подразумевается безотказность устройств и систем в работе, способность обеспечивать свои тактикотехнические характеристики в любых самых сложных условиях. Устройство и система считаются работающими надежно в том случае, если оператору заранее известна величина погрешности, с которой производятся навигационные измерения, и если эта погрешность не превосходит требуемого заранее уровня. Надежность обеспечивается простым и правильно выбранным принципом, положенным в основу прибора. Особенно большое значение имеет правильный выбор диапазона волн, а также применение мер по повышению помехоустойчивости и помехозащищенности устройств и систем по отношению к внешним наводкам и шумам.

2.  Точность. Радионавигационные устройства и системы должны обеспечивать заданную точность измерения навигационных величин, определяемую их назначением. Точности систем различного назначения существенно различны.

Весьма жесткие требования предъявляются к устройствам навигации скважинообразующих рабочих органов проходческих машин, используемых при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций: порядка ±5° по азимуту и ±5% по дальности.

Следует указать, что излишняя точность не нужна и не желательна, так как она вызывает усложнение аппаратуры, а, следовательно, и снижение надежности из-за возможностей ложного срабатывания.

3.  Дальность действия. Под дальностью действия понимается наибольшее расстояние между объектом и радионавигационной точкой, при котором обеспечивается заданная точность устройства или системы. Как правило, работать можно и при больших дальностях, но при этом существенно снижается точность. Современные радионавигационные системы имеют дальность действия по воздуху от нескольких сотен метров до нескольких тысяч километров. При локации подземных объектов дальность определяется, помимо выбранного частотного диапазона, поглощающими свойствами грунта, которые не всегда однородны на пути распространения электромагнитной волны.

4.  Рабочий диапазон волн. Выбор рабочего диапазона волн тесно связан с надежностью, дальностью действия и точностью системы или устройства. Выбор диапазона во многом определяет технические свойства системы. Современные радионавигационные устройства и системы работают во всем освоенном диапазоне радиоволн.

5.  Помехоустойчивость. Помехоустойчивостью называется способность радиоаппаратуры сохранить технические показатели своей работы в заданных пределах при воздействии различного рода помех (индустриальных, эфирных или естественных). Помехоустойчивость определяется главным образом рациональным выбором схемы и параметров приемоиндикаторного тракта, метода приема-передачи электромагнитного сигнала и метода обработки полученных данных.

Наряду с работой радиостанций помехи радиоприему возникают и в результате действия различных электрических установок и аппаратов (промышленные или индустриальные помехи), а также в результате грозовых атмосферных разрядов (атмосферные помехи).

При реализации систем навигации для бестраншейных технологий необходимо учитывать влияние на параметры распространения электромагнитного сигнала ранее проложенных коммуникаций или иных мелких металлических объектов, которые могут давать ложные срабатывания аппаратуры.

6.  Размеры и вес устройсив навигации. Размеры и вес устройств особенно важны как для самолетной аппаратуры, так и для устройства размещаемого внутри проходческой машины. Большое значение имеет вес и габариты приемо-передающих устройств, особенно антенн. Желательно не иметь никаких частей аппаратуры, выступающих за обшивку объекта (в случае если объектом является скважинообразующий рабочий орган – это требование является жестким).

7.  Экономичность системы навигации. Экономичность системы складывается в первую очередь из экономичности эксплуатации и из экономичности ее производства. Система навигации должна быть проста в эксплуатации, допускать обслуживание малоквалифицированным персоналом, потреблять минимальное количество электроэнергии, иметь минимальное число органов управления и автономный источник питания.

Лекция 2. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Используют различные геофизические методы обнаружения, отличающиеся между собой рабочим частотным диапазоном и принципом действия. Эффективность методов обнаружения, помимо дальности, определяется их разрешающей способностью, а так же достоверностью получаемых экспериментальных результатов при возможной простоте практической реализации используемого метода.

Методы обнаружения должны характеризоваться рядом информативных признаков (диапазон изменения рабочей частоты, амплитуды или фазы и т. п.), степень изменения которых при вариации свойств и структуры исследуемой среды, должна быть достаточной для надежного обнаружения объектов поиска с использованием современных схемотехнических решений.

Основные задачи систем обнаружения – определение, какого рода объект (неоднородность, аномалия) находится в горном массиве, грунте, под слоем воды, льда или снега; каковы глубина его залегания, форма, размеры; электромагнитные свойства и пространственная ориентация. Примерами тому могут служить - задачи обнаружения искусственных (рукотворных) аномалий, представляющих собой магнитные и немагнитные неподвижные структуры: силовые электрокабели, нефте - и газопроводы, водопроводов, кабели телекоммуникаций, различного рода металлические объекты, а так же движущиеся объекты (например, буровое оборудование, пневмопробойники) [1].

Наиболее распространенные электромагнитные методы обнаружения данного рода аномалий представлены на рис. 1.1. в соответствии с [2].

Рис. 1.1. Классификация электромагнитных методов обнаружения

движущихся объектов в непроводящих и слабопроводящих средах

Одной из важных характеристик методов обнаружения является тип обнаруживаемого объекта (материал из которого он изготовлен). На рис. 1.2. представлена классификация методов обнаружения по данной характеристике.

Рис. 1.2. Типы объектов поиска, обнаруживаемых различными методами

Феррозондовый и индукционный методы

обнаружения

При подземном обнаружении данные методы используют в основном для поиска скрытых коммуникаций, а в археологии - для обнаружения проводящих рукотворных объектов на дальностях до 10 м. По диапазону рабочих частот (от единиц кГц до 1 МГц) феррозондовый и индукционный методы относят к низкочастотным. [2-3]

Феррозондовый (или магнитометрический) метод позволяет зафиксировать пространственные искажения магнитного поля Земли, создаваемые ферромагнитным объектом поиска (рис. 1.2). Обнаружение диэлектрических (пластмассовых, деревянных и т. п.), а также диамагнитных (дюралюминий, золото, серебро, бронза и т. п.) объектов с использованием данного метода невозможно. Однако обнаружение локальных ферромагнитных объектов осуществляется практически в любых естественных укрывающих средах (глинистых и песчаных грунтах, пресной и морской воде, льдах и т. д.). В то же время использование переносной аппаратуры на основе этого метода внутри или вблизи современных сооружений (зданий, мостов, аэродромных покрытий и т. д.) затруднено из-за мешающего влияния стальных элементов в их конструкциях (арматуры, балок, труб и т. д.). Иногда и в горной местности, богатой металлосодержащими рудами, использование магнитометров затруднено.

Стационарные и квазистационарные магнитные поля измеряют, как правило, с помощью следующих приборов: протонных магнитометров; датчиков Холла; волоконно-оптических датчиков с лазерной накачкой; феррозондовых приборов.

В полевых условиях наиболее широко применяются феррозондовые приборы, характеризующиеся не только высокой чувствительностью и точностью, но и возможностью непосредственного измерения составляющих вектора магнитного поля (обеспечивая тем самым получение полной информации о структуре поля и его источниках), пригодностью для работы в очень слабых магнитных полях, в широком температурном диапазоне, высокой надежностью, долговечностью и низкой стоимостью. По принципу действия феррозонды наиболее близки к магнитным усилителям. По существу они и являются магнитными усилителями, у которых управляющая электрическая цепь заменена разомкнутой магнитной цепью. Существует довольно много типов и модификаций феррозондов, которые отличаются друг от друга режимом работы, способом наложения вспомогательного поля, схемному решению и конструктивному исполнению. Эти отличия более или менее существенны в зависимости от диапазона и частотного спектра измеряемых полей, условий, в которых проводятся измерения, особенностей преобразования полезного сигнала в измерительной схеме.

Наиболее распространен дифференциальный феррозонд (рис.1.3).

Рис. 1.3. Схема дифференциального феррозонда: 1-пермаллоевые сердечники; 2-первичные обмотки; 3-вторичная обмотка

Он содержит два одинаковых пермаллоевых сердечника, выполненных в виде тонких стержней прямоугольного сечения, уложенных в специальные каркасы параллельно друг другу. Поверх каркасов нанесены первичные обмотки, включенные последовательно и образующие цепь возбуждения феррозонда. Эту цепь питают переменным током звуковой или ультразвуковой частоты. Кроме первичных обмоток имеется также общая вторичная обмотка. Вторичная обмотка вместе с подключаемым к ней индикаторным прибором образует измерительную цепь.

Феррозондовый преобразователь является векторным прибором, т. е. выходной сигнал преобразователя зависит от величины и направления приложенного поля. Это позволяет получать дополнительную информацию об ориентации и размерах скрытого ферромагнитного предмета [4-6].

С помощью феррозондового магнитометра возможно оценивать глубину залегания предметов. Использование двух феррозондов позволяет создать прибор для измерения разности индукций магнитного поля в двух точках пространства. Такой прибор фактически содержит два канала магнитометра, причем один из них используется для компенсации однородной части поля Земли в объеме двух феррозондов. Этот прибор целесообразно использовать для поиска локальных ферромагнитных объектов, расположенных в толще немагнитной среды (грунт, вода).

Реальная чувствительность лучших современных портативных переносных магнитных градиентометров составляет 10-7...10-8 Тл/м. Глубина обнаружения ферромагнитных объектов в грунте достигает 1,5...5,0 м (в зависимости от размеров объекта поиска); в воде - 10 м; ширина зоны обнаружения оценивается в 1...2 м. [7, 8].

При поиске крупных металлических объектов глубинного заложения сильное помеховое воздействие на магнитометр оказывают мелкие металлические предметы (гильзы, осколки снарядов и т. п.), расположенные в верхнем слое грунта. Однако опытный оператор сможет в значительной степени избавиться от этих помех. При этом используется тот факт, что сигналы от крупных объектов "растянуты" в пространстве, а помехи от мелких близкорасположенных предметов имеют вид характерных коротких пространственных "всплесков".

Наиболее известными в нашей стране серийными приборами являются феррозондовые металлодетекторы "Института доктора Ферстера" (Германия). Это модели OGF, Ferex4.021 и Ferex4.032.

Металлодетектор Ferex4.021 предназначен для поиска ферромагнитных объектов под землей и под водой. Обычными объектами поиска являются неразорвавшиеся бомбы, трубы магистральных трубопроводов, силовые кабели, обломки судов и самолетов.

Прибор может быть использован для различных применений в зависимости от выставленного режима работы:

·  поиск и локализация всех ферромагнитных предметов;

·  поиск и локализация больших объектов с подавлением влияния малых предметов;

·  поиск движущихся объектов - влияние статических объектов подавлено;

·  использование в качестве компаса.

В последнее время появились отечественные разработки переносных магнитометров. Они изготовляются в основном для нужд коммунального хозяйства: поиска люков, колодцев, труб теплотрасс и т. д. Эти приборы имеют упрощенную конструкцию, небольшие размеры и массу. Глубина поиска у этих приборов примерно в 1,5...2 раза меньше, чем у зарубежных аналогов [7].

Основные преимущества феррозондового метода:

- возможность обнаружения ферромагнитных объектов в любых естественных укрывающих средах;

- повышенная глубинность и высокая скорость поиска;

- простота эксплуатации приборов.

Недостатки метода:

- ограниченный круг обнаруживаемых объектов;

- низкая помехоустойчивость при работе вблизи массивных стальных конструкций и объектов;

- подверженность помеховому влиянию мелких, близко расположенных предметов при поиске крупных объектов глубинного заложения.

Индукционный метод

обнаружения металлических объектов широко используется для обнаружения рукотворных объектов, выполненных из металла или имеющих отдельные металлические элементы в своей конструкции. Причем металл может быть как ферромагнитным, так и диамагнитным (рис. 1.2).

Данный метод основан на регистрации вторичных полей вихревых потоков, возникающих в этих телах под воздействием первичного низкочастотного магнитного поля. Первичное магнитное поле создается с помощью катушек, питаемых переменным током. Вихревые токи зависят от силы тока возбуждающей (генераторной) катушки, его частоты и конфигурации проводящего объекта поиска [9].

Величина вторичного магнитного поля обратно пропорциональна кубу расстояния между объектом поиска и точкой наблюдения (приемной катушкой). Так как величина первичного магнитного поля, в свою очередь, также обратно пропорциональна кубу расстояния от генераторной катушки, отсюда следует, что величина принимаемого сигнала обратно пропорциональна шестой степени расстояния между индукционной поисковой системой (ПС) и объектом поиска. Тогда как для ферромагнитного метода излучаемое поле - магнитное поле Земли, поэтому отклик прибора на объект обратно пропорционален не шестой, а третей степени расстояния [10].

Практическая дальность обнаружения для переносных индукционных ПС соизмерима с размерами объектов поиска. Прием слабых вторичных сигналов в индукционных ПС должен осуществляться на фоне мешающего воздействия весьма сильного первичного сигнала (так называемого сигнала прямого прохождения). Селекция полезного сигнала, фактически сводящаяся к компенсации первичного сигнала, может быть [11]:

·  временной при импульсном режиме работы - путем периодического подключения приемной катушки ко входу приемника только во время отсутствия первичного поля;

·  пространственной за счет оптимального расположения в пространстве генераторных и приемных катушек, обеспечивающих минимальную индуктивную связь между ними.

Широко используется импульсный режим работы (так называемый "метод переходных процессов"). Его основные технические характеристики следующие:

·  глубина обнаружения в грунте до 3...5 м (в зависимости от размеров объекта и электромагнитных свойств грунта);

·  ширина зоны обнаружения 1...1,5 м.

Прибор содержит две рамочные антенны, расположенные на концах разборной диэлектрической штанги, приемопередающий электронный блок и блок питания. Диаметр рамок 0,5 м, плоскости их параллельны поверхности грунта. Опытный оператор сможет оценить размеры и глубину залегания металлического объекта поиска, используя информацию на светодиодном табло.

В большинстве зарубежных индукционных приборах используется весьма экономичный гармонический метод. Применяется, как правило, пространственная и электрическая компенсация первичного сигнала. Основное назначение этих приборов - обнаружение труб и кабелей. Приборы включают в себя несущую штангу, с закрепленными на концах генераторной и приемной магнитными антеннами (рамочными или ферритовыми), а также электронный блок. Глубина обнаружения 0,8...1,5 м. Малая глубина поиска объясняется недостаточной компенсацией первичного сигнала, являющегося помехой в гармоническом методе.

В основе индукционного метода поиска подземных коммуникаций лежит принцип электромагнитной индукции [12-17]. При помощи генератора, подключенного к отыскиваемой токопроводящей трассе, вокруг нее искусственно создается переменное электромагнитное поле определенной частоты. Магнитная составляющая этого поля будет индуцировать во внесенном в поле замкнутом контуре переменный ток той же частоты.

Основные преимущества индукционного метода:

- способность обнаруживать объекты из любого металла;

- возможность выделения крупных металлических объектов на фоне мелких помеховых;

- относительная дешевизна поисковой аппаратуры;

- незначительное влияние грунта на процесс поиска.

Недостатки метода:

- небольшая глубина обнаружения – от десятых долей до единиц метров.

В горном деле одна из областей использования индукционных металлодетекторов – это поиск металлических включений в перерабатываемом сырье [18, 19], т. е. в качестве конвейерных металлодетекторов. Одно из требований, предъявляемым к индуктивным датчикам - сохранение работоспособности приборов при их размещении вблизи массивных металлических конструкций [20]. Современные металлодетекторы, из-за их работы в низкочастотной области, не обладают достаточной помехоустойчивостью, чтобы исключить ложные срабатывания от помеховых объектов.

Радиолокационный метод и метод радиопросвечивания

Данные методы обнаружения относят к радиоволновым методам [1, 21]. Это активные методы, позволяющие обнаруживать объекты, выполненные как из любых металлов, так и неметаллических материаллов (рис. 1.2). Они основываются на исследовании особенностей распространения в различных средах электромагнитных полей, длина волны которых соизмерима или меньше расстояния между приемником и передатчиком. Частоты таких электромагнитных волн лежат в диапазоне от десятков кГц до ГГц. Дальность, разрешающая способность, помехоустойчивость и конструкция системы обнаружения существенно зависит от рабочего частотного диапазона. Основным отличием этих методов от низкочастотных является наличие токов смещения в исследуемой среде при прохождении в ней высокочастотной электромагнитной волны, что обуславливает влияние диэлектрической проницаемости среды на их характеристики. В радиоволновых электромагнитных методах решающее значение имеет поглощение энергии волн в среде с увеличением расстояния, которое определяет дальность обнаружения. Поглощение энергии в значительной степени связано с индуцированием в среде вторичных токов, плотность которых зависит от проводимости среды. При увеличении проводимости наблюдается увеличение поглощения энергии высокочастотных электромагнитных полей, которое определяется их частотой и электромагнитными свойствами среды: проводимостью, магнитной и диэлектрической проницаемостью.

Радиоволновое просвечивание [1] основано на изучении электромагнитных свойств среды, в объеме между источником и приемником электромагнитных волн, т. е. в пространстве между двумя или более скважинами (рис.1.4). Такой метод позволяет не только выявлять наличие неоднородностей в исследуемой среде, но и оценивать их протяженность, форму и в ряде случаев электромагнитные свойства выявленных аномалий.

Рис. 1.4. Радиоволновое просвечивание: 1 – передатчик,

2 – приёмник, 3 – объект поиска

Метод радиоволнового просвечивания в основе своей базируется на измерении интенсивности электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве между источником и приемником поля, а, следовательно, на изучении мощности сигнала на входе приемника после прохождении его через исследуемую среду [22, 23]. Принимаемая мощность обратно пропорциональна квадрату расстояния между передатчиком и приемником, а так же коэффициенту, учитывающему потери в грунте - , поэтому метод радиопросвечивания обладает хорошей разрешающей способностью по дальности.

Метод радиолокации основан на явлении отражения падающей на границу раздела «геосреда - объект поиска» электромагнитной волны и измерении характеристик отраженных от границы раздела волн. Основная цель применения данных методов – обнаружение и определение неоднородностей с отражающими поверхностями, в среде с резко изменяющимися электромагнитными характеристиками – удельным сопротивлением, диэлектрической или магнитной проницаемостями [1].

При реализации радиолокационных методов излучающая и приемная антенна располагаются в непосредственной близости друг от друга (рис.1.5). В ряде случаев возможно использование в качестве излучающей и приемной одной и той же антенны. Основным информационным параметром при проведении измерений в данных методах является время распространения отраженной от границы раздела сред электромагнитной волны. Определяя время распространения отраженной волны и фиксируя изменение данного времени при передвижении приемно-передающих антенн вдоль поверхности, можно определить расстояние до неоднородности, а также получить информацию о ее форме. При этом точность данных методов будет в значительной мере определяться знанием скорости распространения электромагнитных волн в среде в пределах зоны измерения.

Рис. 1.5. Метод радиолокации: 1 – передатчик,

2 – приёмник, 3 – объект поиска

Существует две основные разновидности радиолокационного метода: импульсный метод радиолокации (ИМР) и интерференционный радиолокационный метод - с использованием частотной модуляции зондирующего сигнала [24].

Наибольшее распространение в настоящее время получил импульсный метод радиолокации, заключающийся в возбуждении передатчиком в геосреде очень коротких электромагнитных импульсов со значительной амплитудой, в приеме отраженных от границы раздела импульсов и определении времени распространения отраженного импульса от поверхности объекта до приемной антенны.

Частотный диапазон электромагнитных волн, формирующий радиолокационный зондирующий импульс, достаточно высокий и составляет от 15 МГц до 1200 МГц - в зависимости от требуемой разрешающей способности и от особенностей используемой при этом радиолокационной аппаратуры. Так, при проведении исследований на достаточно больших расстояниях до неоднородности оптимальные частоты составляют от 30 до 500 МГц.

В настоящее время весьма интенсивно развивается высокочастотная модификация радиолокационного метода, основанная на использовании так называемых георадаров – георадиолокационных устройств [21] с достаточно небольшой мощностью передатчика, с собственными частотами от 100 до 2000 МГц. Такие устройства позволяют с весьма хорошей разрешающей способностью (до 0,06 м при частоте 1000 МГц) выявлять в приповерхностной части разреза на достаточно небольших глубинах (от 5 м до 30 м) различные виды неоднородностей и визуализировать их форму. Применение данной аппаратуры позволяют решать самый широкий круг задач на транспорте, в городском подземном хозяйстве, в археологии.

Основные преимущества радиоволновых методов [3]:

- способность к обнаружению любых неоднородностей в грунте (ферромагнитных, металлических немагнитных и некоторых непроводящих);

- возможность приближенно определять глубину залегания объекта поиска, а так же оценивать его протяженность;

- хорошая помехоустойчивость к внешним электромагнитным воздействиям.

Недостатки методов:

- уменьшение дальности обнаружения в грунтах с повышенным затуханием электромагнитных волн (влажная, болотистая почва);

- высокая стоимость и сложность изготовления приборов [3].

В работе [3] проведен сравнительный анализ индукционного, феррозондового и радиолокационного методов по стоимости (рис. 1.6) и дальности обнаружения в зависимости от размеров объекта поиска (рис. 1.7).

Рис. 1.6. Относительная стоимость переносных поисковых приборов

Рис. 1.7. Зависимость глубины обнаружения металлической сферы от ее радиуса для различных методов поиска и параметров укрывающих сред:

1-  индукционный метод (мощность передатчика 1 Вт, λ=30 км), сухой грунт;

2-  индукционный метод (мощность передатчика 1 Вт, λ=30 км), влажный грунт;

3-  радиолокационный метод (мощность передатчика 1 Вт, мощность импульса 1 кВт, плотность потока мощности создаваемого объектом 10-8 Вт/м2, коэффициент усиления передающей антенны равен 1), сухой грунт;

4-  радиолокационный метод (мощность передатчика 1 Вт, мощность импульса 1 кВт, плотность потока мощности создаваемого объектом 10-8 Вт/м2, коэффициент усиления передающей антенны равен 1), влажный грунт;

5-  магнитометрический метод, грунт любой влажности при μсреды =1 (чувствительность поискового прибора равна 0,001 А/м, длинна базы 1 м)

В работе [25] показана возможность использования для поиска малоразмерных объектов нового метода – параметрической локации, основанного на регистрации искусственно вызываемых контрастов между объектом поиска и фоном за счет дополнительного облучения исследуемого пространства: наряду с основным зондирующим - различными физическими полями (электромагнитным, лазерным, акустическим и др.). Возникновение этих контрастов обусловлено различной реакцией объекта поиска искусственного происхождения и элементов естественного фона на возбуждающее поле.

Анализ электромагнитных методов обнаружения позволяет сделать вывод, что универсального способа обнаружения не существует. Для каждой конкретной задачи, исходя из свойств грунта и характера неоднородности, а так же глубины залегания, выбирают наиболее приемлемый метод обнаружения.

Все вышеупомянутые методы в большинстве своем ориентированы на получение информации о наличии в воздушной среде или в укрывающих средах малоразмерных рукотворных объектов, изготовленных или содержащих ферромагнитные и металлические материалы, и не способны получить информацию о координатах объекта в грунте.

Лекция 3. Принципы построения и классификация радиочастотных устройств и систем навигации

Работа радионавигационных устройств и систем основана на использовании свойств распространения радиоволн. Наиболее важными для радионавигации являются следующие свойства радиоволн [1]:

1) радиоволны распространяются по кратчайшему (ортодромическому) расстоянию между точками излучения и приема;

2) скорость распространения радиоволн в однородной среде постоянна, но зависит от ее электромагнитных свойств;

3) при отражении от границы раздела сред, падающий и отраженный лучи лежат в одной и той же плоскости распространения.

Эти свойства соответствуют идеализированной картине распространения радиоволн. В реальных наземных или подземных условиях идеализированная картина распространения радиоволн нарушается, что ведет к ошибкам радионавигационных устройств и систем. Эти ошибки тщательно изучаются и учитываются при обработке результатов измерений.

Поскольку радионавигационные устройства и системы предназначены для сообщения оператору, отслеживающему движение машины в грунте, определенной навигационной информации – сведений о навигационной величине, то такая информация должна содержаться в принимаемых радиосигналах.

Напряженность электрического поля радиоволны может быть записана в виде выражения: Е=Em·sin(ωt-). Любой из четырех параметров электриче­ского поля: амплитуда Еm, частота ω, фаза или время распространения t – может быть связан с навигационной информацией. Таким образом, можно осуществить четыре зависимости: Еm=Е(х); ω=ω(x); =(x) и t=t(x), причем х – измеряемая навигационная величина. Принимаемый сигнал бу­дет иметь один из видов: E=E(x)∙sin(ωt-), E=Em∙sin[ωt-(x)], E=Em·sin[ω(x)t-] или E=Em·sin[ωt(x)-].

Измерение параметра поля при известном характере зависимости этого параметра от навигационной величины дает возможность определить положение объекта в пространстве или в грунте.

Связь между такой навигационной информацией, как направление отклонения объекта от заданной траектории движения, и напряженностью поля легко реализуется при использовании антенн направленного действия.

Параметр электромагнитного поля, положенный в основу измерения, определяет тип радионавигационного устройства и системы. Таким образом, существуют четыре основных типа радионавигационных устройств и систем [1]: амплитудные, фазовые, частотные и временные. Для каждого типа характерны и определены типы индикаторов, с помощью которых определяется навигационная величина: для амплитудных устройств это будут приборы, измеряющие интенсивность сигнала; для фазовых устройств – фазометры; для частотных – частотомеры; для временных устройств – часы. Таким образом, тип радионавигационного устройства можно легко определить по типу использованного в нем индикатора. С таким же критерием можно подходить и к случаю, когда исходное поле модулировано, а параметры модулирующего напряжения связаны с навигационной величиной. Если связь устанавливается между интенсивностью модулирующего напряжения (коэффициентом модуляции) и навигационной величиной, то это устройство амплитудного типа, и индикатором будет модулометр. Если фаза модулирующего напряжения связана с навигационной величиной, то устройство – фазовое и индикатором будет фазометр. Если частота модулирующего напряжения связана с навигационной величиной, то устройство – частотное и индикатором будет частотомер. Таким образом, можно дать следующие определения для основных типов радионавигационных устройств и систем (далее РНУ и РНС).

Амплитудными РНУ и РНС называются устройства и системы, работа которых основана на создании и использовании зависимости амплитуды напряженности электрического поля радиоволны или амплитуды модулирующего напряжения от навигационной величины.

Фазовыми РНУ и РНС называются устройства и системы, работа которых основана на создании и использовании зависимости фазы несущего колебания или модулирующего колебания от навигационной величины.

Частотными РМУ и РНС называются устройства и системы, работа которых основана на создании и использовании зависимости частоты несущего или модулирующего колебания от навигационной величины.

Временными РНУ и РНС называются устройства и системы, основанные на использовании зависимости времени распространения радиоволн от навигационной величины.

Данная классификация позволяет наиболее рационально разбить радионавигационные устройства и системы на четыре основные группы. Эта рациональность подтверждается тем, что у устройств одного типа оказываются близкими технические принципы построения, а также типы индикаторов, вследствие чего многие технические вопросы создания устройств одного типа и использования их являются аналогичными. Так, например, характерным для всех амплитудных устройств является использование направленных антенн. При этом технические характеристики этих антенн в основном определяют качество работы навигационных устройств. Различные факторы, искажающие характеристики направленности, существенно ухудшают работу амплитудных устройств. В то же время, в устройствах других типов форма характеристик направленности, как правило, не играет принципиальной роли.

Во временных устройствах принципиальное значение имеют узлы схем, предназначенные для измерения небольших временных интервалов, блоки формирования импульсов и т. п.

Для правильного построения фазовых систем оказывается необходимым тщательное изучение влияния различных факторов на фазовую скорость, в то время как для работы устройств других типов более важно знать групповую скорость распространения.

Измеряемой навигационной величиной может быть угол, расстояние или разность расстояний. Вследствие этого РНУ и РНС каждого типа могут быть угломерными, дальномерными и разностно-дальномерными. Для практической реализации целесообразны не все комбинации.

Эффективно используется зависимость амплитуды колебания от направления, поэтому амплитудные устройства и системы строятся как угломерные.

Фаза электромагнитных колебаний изменяется с расстоянием. Вместе с этим удается создать зависимость фазы модулирующих колебаний от направления. Поэтому фазовые РНУ и РНС строятся как дальномерные, разностно-дальномерные и угломерные.

Частота колебаний непосредственно не зависит от пространственных координат объекта, она зависит от скорости или ускорения движения устройств системы друг относительно друга. Поэтому частотный метод нашел применение для определения скорости и направления движения объектов. Если изменять частоту сигнала или «качать» ее по определенному закону, то, используя зависимость мгновенной частоты от расстояния, можно создать дальномерные и разностно-дальномерные РНУ и РНС. Угломерные частотные устройства удается создать только при сочетании частотной модуляции сигналов и направленного излучения, при котором каждому направлению была бы присвоена определенная частота сигналов.

Время распространения сигнала не зависит от направления его распространения, поэтому временные системы строятся как дальномерные или как разностно-дальномерные. На расстояниях много больших, чем база (расстояние между приемниками), разностно-дальномерные системы вырождаются в угломерные и в этом смысле можно говорить об угломерных временных системах.

Так как временную систему легче всего осуществить при импульсной работе, большинство временных систем работает с импульсными сигналами. Термины «временной» и «импульсный» часто употребляются как синонимы, причем последний более распространен. Следует отметить, что в сущности фазовый и частотный методы также являются временными, но в них время распространения выражается через изменение фазы или частоты.

Наконец, возможны комбинированные системы как с точки зрения измеряемых параметров электромагнитного поля, так и с точки зрения измеряемой навигационной информации.

Например, система может использовать направленное излучение для определения направления на объект и в то же время работать в импульсном режиме для определения расстояния до него. Следовательно, эта система по типу будет амплитудно-временная, а с точки зрения измеряемых координат – угломерно-дальномерная.

Возможны также импульсно-фазовые системы. В такой системе излучение происходит импульсами, грубое измерение дальности – по огибающей импульса, а точное – по фазе несущих колебаний. Возможны и другие комбинированные системы.

Системы различаются также по характеру излучения, по степени автономности и автоматизации, по методу индикации и измерения, а также по различным качественным признакам и назначению.

По характеру излучения различают системы с непрерывным или импульсным излучением. Большая часть амплитудных систем, фазовые и частотные системы строятся с непрерывным излучением, импульсное излучение имеют временные и некоторые амплитудные системы. Системы с непрерывным излучением занимают относительно узкую полосу частот, системы с импульсным излучением занимают весьма широкую полосу. Это накладывает определенные требования на все технические показатели аппаратуры.

Классификация радионавигационных устройств и систем по основным признакам иллюстрируется табл. 1.1 [1], в которой знаком + отмечены сочетания, нашедшие реализацию в существующих устройствах и системах.

Таблица 1.1

Классификация радионавигационных устройств и систем

Основные технические параметры	Параметр электромагнитного поля, положенный в основу измерения
амплитуда	фаза	частота	время распространения
Характер излучения	Непрерывное излучение	Определяемая навигационная величина	Угол	+	+	+
Дальность		+	+
Разность (сумма) дальностей		+	+
Импульсное излучение	Определяемая навигационная величина	Угол	+		+	+
Дальность		+		+
Разность (сумма) дальностей		+		+

Лекция 4. Амплитудные радионавигационные устройства

Согласно принятой классификации к амплитудным радионавигационным устройствам (АРНУ) относятся такие устройства, в которых для производства навигационных измерений используется зависимость амплитуды радиосигналов от подлежащих измерению навигационных величин [1].

Амплитудными методами можно определять как направление и угол отклонения объекта от заданной траектории движения, так и расстояние до него. Однако зависимость амплитуды сигналов в точке приема от расстояния до источника их излучения не обладает необходимой определенностью. Уровень принимаемых сигналов, кроме расстояния, существенно зависит также от мощности излучения и условий распространения радиоволн в среде. А зависимость амплитуды принимаемых сигналов от направления и угла отклонения может быть сделана вполне определенной. Использование этой зависимости позволяет создавать разнообразные технические устройства, пригодные для задания и определения направлений в пространстве, в частности, для определения угловых навигационных координат.

В основе амплитудных устройств лежит использование принципа направленного излучения радиоволн или направленного их приема. Приемные устройства с направленным приемом радиоволн, предназначенные для определения направления их распространения, называются радиопеленгаторами. Для создания направленного излучения при разработке системы навигации для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций возможны два варианта:

– использование пневмоударной машины в качестве передающей антенны заданного типа;

– размещение внутри рабочего органа машины передатчика с подключенной передающей антенной (например, излучающего зонда).

Первый вариант обеспечит минимальные вмешательства в конструкцию машины и позволит создать необходимые направленные свойства передающей системы. Второй вариант требует размещения передающего устройства в самой машине, что практически всегда приводит к изменению ее конструкции. Также на формировании диаграммы направленности такой системы будет сказываться рабочий орган машины (т. е. ее корпус).

Амплитудные методы определения направлений в пространстве применяются также в радиолокационной технике для измерений угловых координат движущихся объектов. Существенной особенностью радиолокационных устройств является совместное использование как направленного излучения, так и направленного приема. При этом реализация амплитудных систем навигации для наземных и воздушных объектов будет существенно отличаться от задачи навигации подземных объектов. Причина этих отличий заключается в формировании направленного излучения. На излучающие свойства объекта, находящегося в грунте сильно будут влиять поглощающие свойства среды, с одной стороны, ограничивая дальность обнаружения, с другой – обеспечивая хорошую разрешающую способность по углу отклонения объекта за счет концентрации (сужения) его диаграммы направленности по направлению к приемнику. Также необходимо учитывать неоднородность свойств грунта, которые, несомненно, будут сказываться на формировании диаграммы направленности объекта в разных плоскостях (направлениях) пеленга.

Подлежащие измерению угловые (α) навигационные величины связывают с радиотехническими величинами определенной зависимостью. В амплитудных устройствах можно устанавливать зависимость угловых навигационных величин от уровня сигналов (уровня несущей частоты), либо от глубины их модуляции. В соответствии с этим следует различать амплитудные устройства типа Е (Е – электрическая компонента электромагнитного поля), в которых используется зависимость вида Е=Е(α) при сохранении постоянства глубины модуляции (m = const), и амплитудные устройства типа М, в которых используется зависимость вида М=М(α) при сохранении постоянства уровня сигналов (E=const). В амплитудных устройствах типа Е и типа М направление в пространстве может быть задано и определено одним из следующих трех методов:

– по максимуму сигналов;

– по минимуму сигналов;

– сравнением сигналов.

Рассмотрим особенности этих методов применительно к амплитудному пеленгатору типа E.

Определение направления движения объекта методом сравнения принимаемых сигналов

Предположим, что диаграмма направленности объекта, за счет расположения в его корпусе передающего устройства или за счет использования самой машины в качестве передающей антенны, выглядит как на рис. 1.1 [1].

Для определения угла α и направления ее отклонения в среде методом сравнения необходимо иметь две пересекающиеся характеристики направленности [1].

Рис. 1.1. Определение направления методом сравнения принимаемых сигналов

Такие характеристики направленности создают передающей системой, расположенной на самом объекте, а приемные устройства устанавливают на поверхности земли в положение, при котором интенсивность принятых сигналов одинакова, что и позволяет определить направление отклонения машины от заданного курса. Это направление называется равносигнальным направлением. Отклонение равносигнального направления от направления на приемную антенну сопровождается появлением разности уровней принятых сигналов ΔU. Для обнаружения отклонения равносигнального направления от заданного направления движения потребуется некоторая величина ΔU, которую оператор может отметить с помощью того или иного индикатора. Величина наименьшего уверенно различимого приращения выходных сигналов ΔU определяет некоторую область нечувствительности Ψ, называемую равносигнальной зоной. Метод сравнения является наиболее удобным для определения стороны отклонения равносигнального направления от заданной траектории движения, поскольку при изменении стороны отклонения («право-лево» или «верх-низ») изменяется знак приращения сигналов. Реализация данного метода применительно к определению направления и угла отклонения объекта от заданного курса представлена в главе 3.

Определение направления движения объекта по максимуму принимаемых сигналов

Определение направления на излучающий объект производится путем перемещения приемной антенны пеленгатора и отсчета углов α0, α, при которых принятые сигналы максимальны (рис.1.2) [1].

Рис. 1.2. Определение направления по максимуму принимаемых сигналов

Отклонение характеристики направленности от определяемого направления сопровождается уменьшением амплитуды сигналов на выходе приемника. Эти изменения интенсивности выходных сигналов наблюдаются оператором с помощью какого-либо индикатора. При любом способе индикации всегда существует некоторая область изменения сигналов ΔU, в пределах которой изменение направления движения объекта не обнаруживается оператором. Наименьшее приращение сигналов ΔU, уверенно регистрируемое оператором, зависит от ряда причин и может быть рассчитано или определено из опыта. На величину ΔU влияют:

– характеристики индикатора;

– характеристики грунта и его неоднородность;

– условия наблюдения (величина сигналов, помехи, время наблюдения и др.).

Угол Ψ, в пределах которого изменение направления на пеленгуемый объект не может быть уверенно обнаружено, называют углом нечувствительности. Чем меньше угол нечувствительности, тем выше точность измерений.

При этом методе для обеспечения высокой чувствительности требуются антенны с острыми характеристиками направленности. Поэтому он используется почти исключительно в диапазоне ультракоротких волн. Определение стороны отклонения здесь весьма затруднено, поскольку характер приращений сигналов не зависит от направления отклонения пеленгуемого объекта, хотя в некоторых случаях такое определение с помощью различных технических приемов и может быть осуществлено. Достоинством «максимального метода» является то, что по сравнению с другими этот метод обеспечивает наиболее высокое отношение сигналов к помехам.

Определение направления движения объекта по минимуму принимаемых сигналов

Для определения направления по минимуму принимаемых сигналов необходимы характеристики направленности с четко выраженным минимумом. Таким минимумом обладают характеристики направленности с двумя соприкасающимися лепестками (рис.1.3) [1]. Поворачивая передающую антенну в горизонтальной (или вертикальной) плоскости, можно найти положение, при котором принимаемые сигналы минимальны, и по этой информации определить направление движения объекта. Здесь тоже будет иметь место угол нечувствительности Ψ, поскольку требуется некоторая величина приращения выходных сигналов ΔU, которую может уверенно обнаружить оператор с помощью того или иного индикатора.

Рис. 1.3. Определение направления по минимуму принимаемых сигналов

«Минимальным методом», в принципе, возможно определить не только направление, но и сторону отклонения объекта. Для этой важной цели можно использовать различие характера приращений выходных сигналов от разных лепестков характеристики направленности. С помощью тех или иных технических приемов можно установить связь между направлением отклонения объекта и каким-либо отличительным признаком выходного сигнала (его фазой, частотой и др.), что и позволит решить поставленную задачу.

Характеристики направленности, которые требуются при «минимальном методе», могут быть получены сравнительно легко во всех диапазонах радиоволн, что является важным его достоинством. Недостатками этого метода являются невыгодное отношение сигнала к помехам при приеме. При определении отклонения пневмоударной машины, движущейся в грунте, от заданной траектории «минимальным методом» возникает основная проблема – в области минимумов невозможно вести речь об однозначном их возникновении, так как в грунте диаграмма направленности передающей антенны будет иметь существенные отличия от диаграммы направленности в воздухе, что связано со сложными процессами преломления и отражения электромагнитных волн на границе раздела сред (подробно об этом в главе 3).

Лекция 5. Частотные радионавигационные устройства. Принципы построения радиочастотных дальномеров, методы повышения их чувствительности и помехоустойчивости

Частотными радионавигационными устройствами называются устройства, основанные на создании и использовании зависимости частоты радиосигнала от навигационной величины [1].

Для создания указанной зависимости можно использовать частоту изменения любого параметра тока высокой частоты или импульсного сигнала (при импульсной работе).

Практически были предложены пять типов частотных радионавигационных устройств, в которых функцией измеряемой навигационной величины являются, соответственно:

1) несущая частота радиосигналов,

2) частота модулирующего гармонического колебания,

3) частота повторения импульсов,

4) частота биения двух частотно-модулированных радиосигналов,

5) частота эффекта Доплера.

Следует отметить, что в радионавигационных устройствах последних двух типов (4 и 5) физические явления весьма сложны, и поэтому возникает не одна определенная фиксированная частота, а некоторый спектр частот. Следовательно, в устройствах этих типов используется зависимость спектра частот от навигационной величины.

Измеряемой навигационной величиной могут быть: расстояние, разность расстояний и угол отклонения. Однако частотное РНУ не каждого типа может быть практически выполнено как дальномерное, разностно-дальномерное и угломерное устройство. Устройства, в которых функцией навигационной величины является несущая частота или частота модуляции, могут быть дальномерными и угломерными. Устройства, в которых функцией навигационной величины является частота повторения, могут быть только дальномерными. Устройства, в которых используется частота биений, могут быть дальномерными, разностно-дальномерными и угломерными.

Следует указать, что ограничения в навигационном использовании частотно-модулированных сигналов связаны со значительной сложностью и шириной спектра этих колебаний, что заставляет использовать ультракороткие волны, и затрудняет переизлучение сигналов.

Для решения задачи измерения малых дальностей частотные дальномеры оказались наилучшим средством, позволяющим с высокой точностью и в любых условиях измерять дальность до объекта.

Знание истинной дальности с поверхности земли до скважинообразующего рабочего органа пневмоударной машины движущейся в грунте с некоторой точностью (единицы-десятки сантиметров) позволит, в какой то степени, решить и задачу его отклонения «вверх-вниз» или «вправо-влево» от заданной траектории, что актуально для повышения качества работ по бестраншейной прокладке подземных коммуникаций, поэтому для решения этой задачи привлекались различные научно-технические принципы.

Принцип действия радиочастотного дальномера сводится к следующему (см. рис. 1.4.) [2, 3]: от частотно-модулированного СВЧ генератора 3 колебания в форме симметричной пилы через передающую антенну 1 излучаются в землю по направлению к рабочему органу. Отраженный от подземного снаряда сигнал, проходит сквозь геосреду и улавливается приемной антенной 2 и в первом каскаде приемника – смесителе 6 – суммируется с сигналом от СВЧ генератора 3. На выходе смесителя образуется результирующее колебание типа биений, обладающее сложным спектральным составом. Из этого колебания удается сформировать напряжение, характер которого однозначно связан с дальностью до скважинообразующего рабочего органа. Колебания после смесителя усиливаются широкополосным усилителем 7 и поступают на пиковый детектор 8, на выходе которого подключена схема обработки сигнала.

Рис. 1.4. Блок-схема дальномера с частотной модуляцией

1 – передающая антенна; 2 – приемная антенна; 3 – СВЧ генератор частотно-модулируемых колебаний; 4 – модулятор; 5 – аттенюатор; 6 – смеситель; 7 - широкополосный усилитель;

8 – пиковый детектор

Отраженный сигнал имеет ту же форму симметричной пилы, что и излучаемый, но с временным сдвигом на интервал времени (см. рис. 1.5): , где R – дальность до буровой установки, а v – фазовая скорость распространения радиоволн в среде (грунте). Поскольку частота передатчика изменяется по определенному закону, разностная частота изменяется дискретно, поэтому расстояние до движущегося под слоем грунта рабочего органа пневмоударной машины также изменяется дискретно: , ΔR – разрешающая способность по дальности, – коэффициент модуляции, fд – частота отраженного сигнала, Fm - частота модуляции.

Рис. 1.5. К упрощенной трактовке процессов в дальномере с частотной модуляцией

Разность частот прямого и отраженного сигналов Fд будет постоянной величиной для большей части периода модуляции. При этом условии, если девиация частоты равна Δf, а частота модуляции – Fm, на основании подобия треугольников ABC и ADE устанавливается зависимость между измеряемой дальностью и разностной частотой: R=v∙Fд/8·Δf∙Fm.

Положительным качеством радиочастотного дальномера являются высокая точность измерения дальности и достаточная равномерность шкалы.

Разрешающая способность по дальности определяет точность измерений и связана с девиацией частоты Δf следующим соотношением (для формы сигнала – симметричная пила): . Таким образом, чем больше удается получить девиацию частоты, тем выше будет точность дальномера. Например, при Δf = 250 МГц разрешающая способность по дальности в воздухе составит 30 см, а в среде типа супесь (с диэлектрической проницаемостью ε=4,5) около 15 см.

Очевидно, стабильность параметров дальномера (девиации Δf и частоты модуляции Fm) определяет точность измерения дальности. Если частота модуляции может быть стабилизирована, хотя это и сложно, то девиация частоты в настоящее время не может поддерживаться с большей стабильностью, чем несколько процентов. Поэтому относительная погрешность измерения дальности не может быть ниже нескольких процентов.

Лекция 6. Обзор датчиков угла поворота на основе гироскопов

Электронные гироскопы – преобразователи наклона и угловой скорости в электрический ток. Также как и механические (ротационные), пьезокерамические электронные гироскопы служат для контроля положения и угловых скоростей с малым временем отклика (до 50 Гц) [52].

Гироскопы предназначены для демпфирования угловых перемещений объектов вокруг одной из осей, либо стабилизации их углового перемещения. Применяются они в основном на летательных аппаратах и буровых установка вертикального бурения в случаях, когда необходимо повысить стабильность поведения объекта или создать ее искусственно.

Гироскоп состоит из датчика угловой скорости и контроллера [52]. Как правило, они конструктивно объединены, хотя на устаревших моделях размешены в разных корпусах. По конструкции датчиков вращения, гироскопы можно разделить на два основных класса: механические и пьезоэлектрические [52]. Механические гироскопы полностью сняты с производства как морально устаревшие. Развитие современных технологий позволило разработать более совершенные датчики угловых скоростей. В результате появились пьезогироскопы, которые к настоящему времени полностью вытеснили механические. В наиболее распространенных датчиках используются вибрирующие пластины. Поворачиваясь вокруг оси, такая пластина начинает отклоняться в плоскости, поперечной плоскости вибрации. Это отклонение измеряется и поступает на выход датчика, откуда снимается уже внешней схемой для последующей обработки (рис. 4.2). Самыми известными производителями подобных датчиков являются фирмы Murata и Tokin.

У датчиков подобной конструкции есть недостаток в виде большого температурного дрейфа сигнала (при изменении температуры на выходе пьезодатчика, находящегося в неподвижном состоянии, может появиться нежелательный сигнал). Однако достоинства, получаемые взамен, намного перекрывают это неудобство. Пьезогироскопы потребляют намного меньший ток по сравнению с механическими, выдерживают большие перегрузки, позволяют более точно реагировать на повороты объекта. Что касается борьбы с дрейфом, то в дешевых моделях пьезогироскопов существует регулировка "нуля", а в более дорогих – автоматическая установка "нуля" микропроцессором при подаче питания и компенсация дрейфа температурными датчиками.

Рис. 4.2. Конструкция пьезоэлектрического датчика угловых скоростей [52]

В новой линейке гироскопов от Futaba (Семейство Gyxxx с системой "AVCS") уже стоят датчики от Silicon Sensing Systems, которые очень выгодно отличаются по характеристикам от продуктов Murata и Tokin. Новые датчики [52] имеют более низкий температурный дрейф, более низкий уровень шумов, очень высокую виброзащищенность и расширенный диапазон рабочих температур. Это достигнуто за счет изменения конструкции чувствительного элемента. Он выполнен в виде кольца, работающего в режиме изгибных колебаний. Кольцо делается методом фотолитографии, как микросхема, поэтому датчик называется SMM (Silicon Micro Machine).

Существуют электронные датчики-гироскопы марки ENC-03J и ENC-03M. Они предназначены для работы в качестве датчиков измерения угла наклона объекта [53]. Отличием электронных гироскопов от механических является компактность и малый вес (размер 12х8 мм, масса в зависимости от модели 1-20 г), отсутствие изнашивающихся элементов, высокая скорость отклика (минимум инерции), низкое напряжение питания (2,7-5,5 В), малый ток потребления (0,5-15 мА). Диапазон рабочих температур (-5...+75°С) позволяет производить контроль параметров в широком спектре климатических условий и географических поясов.

Кроме того, электронные гироскопы выпускаются также и в ЧИП-исполнении, что позволяет использовать их для поверхностного монтажа.

На основе такого электронного датчика существует широко используемое простое устройство, которое посредством светоизлучающего светодиода сигнализирует об изменении своего, ориентированного на горизонтальную поверхность, положения. Схема прибора показана на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Электрическая схема гироскопа

Основу устройства составляет пьезокерамический гироскоп ENC-03J производства фирмы Murata (Япония). При горизонтальном положении прибора постоянное напряжение на выводе 4 датчика U1 составляет 1,3-1,4 В при Uпит=5 В. Коэффициент усиления операционного усилителя DA1 приблизительно равен единице. На вывод 3 датчика U1 поступает напряжение сравне­ния через низкочастотный фильтр R3C3, который одновременно играет роль обратной связи операционного усилителя.

При изменении горизонтального положения датчика (отклонения от 0°) напряжение на выходе U1 (вывод 4) изменяется в соответствии с коэффициентом преобразования (0,67 мВ/° отклонения в секунду). Частота опроса состояния составляет около 50 Гц. Максимальная угловая скорость относительно строго горизонтального положения (уровень 0) составляет ±300 °/с Разделительный конденсатор С1 (образующий совместно с резистором R1 частотный фильтр с полосой среза около 0,3 Гц) не пропускает постоянную составляющую напряжения на вход операционного усилителя DA1. При изменении горизонтального положения датчика на выходе DA1 (вывод 6) присутствует напряжение высокого уровня, которое открывает ключевой транзистор VT1, вследствие чего зажигается светодиод HL1.

В связи с высокой чувствительностью пьезокерамического датчика U1 необходимо жестко крепить его к корпусу устройства, который, в свою очередь, должен иметь максимально ровную горизонтальную поверхность.

Пользоваться датчиком просто – достаточно установить его на контролируемой поверхности (если предполагается контроль наклона и стабилизации) или поместить в другую (не жидкую) контролируемую среду для контроля вибрации.

Около 20 лет назад фирма Analog Devices пришла на рынок со своими уникальными акселерометрами и гироскопами iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System – интегральные микро электромеханические системы). Акселерометры iMEMS были созданы на основе новой технологии, суть которой – совмещение на одном кристалле микромеханических подвижных датчиков со схемами обработки сигналов. За годы развития семейство акселерометров расширялось, появились акселерометры для работы в разных динамических диапазонах – как для малых, так и для больших значений ускорения. Сейчас они применяются для измерения положения, параметров движения, угла наклона, измерения силы ударов и вибрации в различных устройствах [54, 56].

В 2003 году семейство датчиков iMEMS пополнилось микромеханическими гироскопами ADXRS. Гироскопы – датчики угловой скорости ADXRS150 и ADXRS300 представляют собой интегральные однокристальные приборы [55], которые преобразуют угловую скорость вращения в напряжение. Напряжение с выхода микросхемы имеет прямо пропорциональную зависимость от скорости вращения микросхемы (рис. 4.4). Гироскопы компании Analog Devices имеют ряд важных преимуществ по сравнению с гироскопами других компаний, созданных по другим технологиям. Важнейший для портативных автономных устройств параметр – это энергопотребление. Гироскопы ADXRS150 и ADXRS300 компании Analog Devices потребляют ток величиной 6 мА при номинальном напряжении питания 5 В, имеют малые габариты и массу, во много раз меньшие, чем у любых других гироскопов. Гироскопы типа ADXRS150 и ADXRS300 выпускаются в миниатюрных корпусах размером 7×7×3 мм с выводами в виде матрицы шариков (BGA), вес такого прибора не превышает 0,5 г. Рекордно низкие массогабаритные показатели чувствительных элементов, обеспечиваемые электромикромеханической технологией iMEMS, сочетаются с интеграцией всех необходимых электронных схем обработки сигнала в одной микросхеме. Низкая стоимость датчиков угловой скорости iMEMS также ставит их в особое положение среди других гироскопов [57].

Рис. 4.4. График выходного сигнала гироскопов ADXRS150 и ADXRS300.

(* – диапазон измерений ADXRS150)

Кроме того, гироскопы iMEMS отличаются высокой надежностью. В данных приборах для повышения надежности (впервые в коммерчески доступных гироскопах данного класса) предусмотрена встроенная система полного механического и электронного автотестирования, которая функционирует без отключения датчиков [57].

Таблица 4.1.

Гироскопы серии ADXRS Analog Devices [4]

Микросхема	Диапазон измерений, град.	Плотность шума, град/C/	Полоса, Гц	Питание, В	Ток потребления, мА
ADXRS150	±150	0,05	40	4,75-5,25	0,6
ADXRS300	±300	0,1	40	4,75-5,25	0,6
ADXRS401	±75	0,05	40	4,75-5,25	0,6

Патентованные решения, которые воплощены в технологии iMEMS, обеспечивают экстраординарную устойчивость датчиков iMEMS к ударам и вибрациям. Гироскопы ADXRS выдают стабильный выходной сигнал в присутствии механических шумовых колебаний с величиной ускорения до 2000g в широком диапазоне частот. Таким образом, сочетание уникальных показателей сразу по многим параметрам позволяет данным приборам служить средством как для улучшения характеристик и возможностей имеющихся разработок, так и для воплощения новых конструкторских идей. Сигнал, получаемый с гироскопа, может быть использован для повышения точности и надежности систем позиционирования и навигации для буровых установок не только вертикального, но и горизонтального бурения.

Последние несколько лет фирма Analog Devices представляет новую линейку инерционных датчиков – гироскопы серии ADIS. Основное отличие датчиков серии ADIS заключается в наличии встроенной схемы оцифровки сигнала и последовательного интерфейса SPI, посредством которого осуществляется считывание цифрового кода, а также управление режимами работы датчиков и их калибровка. Таким образом, датчики серии ADIS более удобны в применении при наличии управляющего микроконтроллера. Компания Analog Devices представила двухосевой датчик угла наклона, делающий возможность измерения наклона с повышенной точностью доступной для производителей оборудования. Программируемый двухосевой датчик ADIS16209 предназначен для применения в различных промышленных задачах, где требуется измерить изменение угла наклона.

Таблица 4.2.

Гироскопы серии ADIS Analog Devices [58]

Микросхема	Диапазон измерений, град.	Плотность шума, град/	Полоса, Гц	Питание, В	Ток потребления, мА
ADIS16100	±300	0,1	40	4,75-5,25	8
ADIS169080	±80	0,05	40	4,75-5,25	7
ADIS16120	±300	0,015	320	4,75-5,25	100
ADIS16250	от ±80 до ±320	0,05	50	4,75-5,25	15

По данным фирмы Analog Devices ADIS16209 является самым точным iMEMS-датчиком угла наклона, выдающим прямое полностью скомпенсированное значение измеренной величины с линейной погрешностью менее 0,1° наклона, что, по крайней мере, вдвое точнее конкурирующих изделий. Это достигается применением встроенного контроллера, который использует калибровочные коэффициенты, прописанные при изготовлении, для динамического измерения условий, в которых находится изделие, и введения компенсирующих поправок в значение на цифровом выходе, учитывающих изменения напряжения, температуры, угла и других параметров. Прочие датчики угла наклона на основе iMEMS обычно требуют дополнительной инженерной работы по выполнению внешней калибровочной схемы и схемы обработки сигнала, что увеличивает стоимость, время разработки и сложность устройства. iMEMS-датчики угла наклона ADI также значительно меньше по размерам, чем выполненные другими методами, в особенности, чем массивные электролитические датчики, наполненные жидкостью, которые могут требовать специальных условий монтажа на плату. В результате ADIS16209 дает возможность конструкторам более простой установки нового датчика точно в том месте, где необходимо проводить измерение. Датчик работает от одного источника питания напряжением от 3 до 3,6 В и выдерживает удар 3500g [59, 60].

Подводя итоги по представленному выше обзору, можно сделать вывод о целесообразности использования гироскопических датчиков в условиях горизонтального бурения. Но ввиду малых скоростей движения машины в грунте и ее прокручивании вокруг собственной оси (такой эффект отсутствует у летательных аппаратов) целесообразно гироскопы использовать совместно с устройством, отслеживающим горизонтальное положение скважинообразующего рабочего органа, а затем уже с помощью гироскопов определять его отклонение от заданной траектории, но это осуществимо только в период остановки бурения.

Обзор магнитных датчиков угла поворота

В настоящее время все большее применение находят анизотропные магниторезистивные датчики, предназначенные для бесконтактного измерения скорости и направления вращения объектов, определения угла поворота или величины линейного перемещения, бесконтактного измерения тока (мощности), а также для определения курса объекта по магнитному полю Земли в магнитометрии. Широкое применение находят современные АМР-датчики, выпускаемые ведущими мировыми лидерами в этой области – Philips, Honeywell, HL-Planartechnik.

Анизотропные магниторезистивные датчики характеризуются высокой чувствительностью, обеспечивают высокие уровни первичного сигнала, широкий рабочий температурный диапазон, прочность, надежность и точность работы. Кроме того, они отличаются малым смещением и значительной нечувствительностью к магнитным и механическим допускам, что используется для создания разнообразных датчиков различных сфер применения, в частности, и для навигационных систем [61].

Принцип действия АМР-датчиков основан на применении анизотропного магнитного эффекта, то есть на способности магниторезистивного материала, например пермаллоевой пленки (NiFe), изменять сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего тока и вектора преимущественной намагниченности магнитных доменов пленки. Внешнее магнитное поле H поворачивает вектор намагниченности пленки М на угол α/, значение которого зависит от направления и значения такого поля. При этом сопротивление пленки изменяется по зависимости, приведенной на рис. 4.5, согласно которой углу α/=90° соответствует минимальное сопротивление пленки, а углу α/=0° (в отсутствие поля) – максимальное значение сопротивления, равное базовому сопротивлению (R0), к которому прибавляется максимальное ΔR/, составляющее обычно 2-3%. В отсутствие магнитного поля направление тока и направление вектора намагниченности пермаллоя параллельны друг другу, а при увеличении напряженности поля H угол α/ увеличивается, а сопротивление R/ уменьшается на максимальную величину ΔR/, зависящую от свойств материала пленки [61].

Рис. 4.5. Принцип действия магниторезистивного эффекта

Конкурентами АМР-датчиков в задачах измерений скорости, положения и тока являются датчики Холла. Если сравнивать эти датчики, окажется, что магниторезистивные имеют ряд основных преимуществ:

·  независимость от магнитного дрейфа во времени и под действием температуры;

·  независимость от механических допусков (расстояния между магнитом и датчиком);

·  независимость от температурных эффектов;

·  малое смещение мостовых магниторезисторов;

·  магниторезистивные мостовые датчики имеют расширенный температурный диапазон (-40…160°C).

Указанные преимущества магниторезистивных датчиков особенно полезны в условиях жесткой эксплуатации, которая характеризуется повышенной загрязненностью, перепадами температур, повышенными механическими вибрациями.

Высокая чувствительность позволяет также использовать АМР-датчики для измерения слабых полей в навигационных системах, где эффект Холла обычно не применяется.

Измерение углов вращения с помощью магниторезистивных датчиков

Принцип измерения углов показан на рис. 4.6. На объекте крепится дипольный магнит. При повороте магнитного вектора на угол α/ изменяется сопротивление и выходное напряжение датчика, по изменению которого можно определить угол поворота объекта и направление (в пределах ±45°) [61].

Рис. 4.6. Принцип измерения полярной угловой координаты

Для того чтобы измерять угол поворота в пределах ±90°, объединяют два датчика, смещенных друг относительно друга на 45°. Данный принцип поясняется на рис. 4.7 и 4.8.

Рис. 4.7. Измерение углов в диапазоне ±45°

Рис. 4.8. Измерение углов в диапазоне ±90°

Элементная база современных АМР-датчиков

На современном рынке представлены магниторезистивные датчики многих производителей – Philips Semiconductors, Honeywell и HL-Planartechnik [62-64].

Компания Honeywell представляет самую широкую номенклатуру магниторезистивных датчиков, включая датчики угла поворота HMC1501/ HMC1512 и омниполярные датчики 2SS52M/SS552MT для различных применений. Наиболее широкую линейку АМР-датчиков Honeywell представляют компасы: одноосевые датчики; двухосевые датчики; трехосевые датчики; двухосевые датчики магнитного компаса с усилителем; магниторезистивные сборки для систем навигации. Номенклатура и основные параметры датчиков Honeywell приведены в табл. 4.3–4.8 [62-64].

Таблица 4.3.

Датчики определения угла поворота

Внешний вид	Наименова-ние	Измеряемый угол, град	Сопротивление моста, Ом	Количество осей	Напряжение питания, В	Тип корпуса
	НМС1501	±45	5000	1	1-25	SOIC
	НМС1512	±90	2100	2	1-25	SOIC

Таблица 4.4.

Одноосевые датчики

Внешний вид	Наименование	Диапазон измерений, Гаусс	Сопротивление моста, Ом	Чувствительность, мВ/В/Гаусс	Напряжение питания, В	Тип корпуса
	НМС1001	±2	850	3,2	5-12	SIP
	НМС1021S	±6	1100	1,0	5-12	SOIC
	НМС1021Z	±6	1100	1,0	5-12	SIP
	НМС1021D	±6	1100	1,0	5-12	DIP
	HMC1041ZZ-Axis	±6	1050	1,0	2-20	LPCC
	HMC1051Z	±6	1000	1,0	1,8-20	SIP
	HMC1051ZL	±6	1000	1,0	1,8-20	IN-LINE LCC8

Таблица 4.5.

Двухосевые датчики

Внешний вид	Наименование	Диапазон измерений, Гаусс	Сопротивление моста, Ом	Чувствительность, мВ/В/Гаусс	Напряжение питания, В	Тип корпуса
	HMC1002	±2	850	3,2	5-12	SOIC
	HMC1022	±6	1100	1,0	5-12	SOIC
	HMC1052	±6	1000	1,0	1,8-20	MSOP
	HMC1052L	±6	1000	1,0	1,8-20	LCC16

Таблица 4.6.

Трехосевые датчики

Внешний вид	Наименование	Диапазон измерений, Гаусс	Сопротивление моста, Ом	Чувствительность, мВ/В/Гаусс	Напряжение питания, В	Тип корпуса
	HMC1053	±6	1000	1,0	1,8-20	LCC16

Таблица 4.7.

Двухосевые датчики магнитного компаса с усилителем

Внешний вид	Наименование	Диапазон измерений, Гаусс	Входной сигнал	Чувствительность,	Напряжение питания, В	Тип корпуса
	HMC6052	0,08-2	Цифровой	0,5 В/Гаусс	2,5-3,6	LCC14
	HMC6352	0,1-0,75	IC интерфейс	2,5º	2,7-5,2	LCC24

Таблица 4.8.

Магниторезистивные сборки для систем навигации

Внешний вид	Наименование	Описание
	НМС2003	Трехосевой магнитометр для систем навигации. Аналоговый выход. Измерение направления по компасу. Определение положения в пространстве. Диапазон измерений ±2 Гаусс с разрешением 40 мкГаусс.
	НМR2300	Цифровой магнитометр. 3 оси. RS232/485 интерфейс. Диапазон измерений ±2 Гаусс с разрешением 67 мкГаусс.
	HMR3000	Цифровой компас. Измерения направления по компасу с точностью до 0,5º при разрешении 0,1º. Измерения поперечного и продольного наклонов в диапазоне ±40º. Выход RS232/485 NMEA, 20 Гц.
	HMR3100	Двухосевой цифровой компас. Измерения направления по компасу с точностью до 5º при разрешении 0,5º. Компенсация паразитных магнитных полей.
	HMR3200	Двухосевой цифровой компас. Системы навигации и наведения. Измерение направления по компасу с точностью до 1º при разрешении до 0,1º. Компенсация магнитных полей корпуса объекта.
	HMR3300	Трехосевой цифровой компас для системы навигации и наведения. Измерение поперечного и продольного наклонов до 60º. Измерение направления по компасу с точностью до 1º при разрешении до 0,1º. Компенсация магнитных полей корпуса объекта.
	HMR3500	Трехосевой цифровой компас. Допускается монтаж под любым углом. Измерение поперечного и продольного наклонов до 60º. Измерение поперечного и продольного наклонов с точностью до 1º. Точность определения азимута до 1º при разрешении до 0,1º. RS-232, 25 Гц интерфейс передачи данных.
	HMR3600	Цифровой компас нового поколения. Точность определения азимута до 0,5º при разрешении до 0,1º. Измерение угла наклона до ±80º. Встроенный гироскоп. RS-232, 25 Гц интерфейс передачи данных.

Рассмотренные задачи и решения, предлагаемые ведущими мировыми лидерами, отражают вполне стандартные и реальные возможности, доступные сегодня для разработчиков с текущим техническим уровнем элементной базы АМР-датчиков. Но использование магнитных датчиков для определения угла поворота пневмоударной машины вокруг своей оси потребует установки на нее, помимо самого датчика, постоянного магнита, что не всегда осуществимо из-за больших ударных нагрузок на рабочий орган и требований по ограничению размеров устройства.

Поэтому предложено к реализации устройство, работа которого основана на использовании ртутных датчиков.

Устройство для отслеживания горизонтального положения насадки на рабочий орган пневмоударной машины и направление ее поворота «по и против часовой стрелки» с применением ртутных датчиков

Работа этого устройства основана на использовании ртутных датчиков, которые будут отслеживать горизонтальное положение машины (одновременно с ассиметричной насадкой, рис. 4.1.) и ее поворот вокруг своей оси «по и против часовой стрелки». Оператор на поверхности земли по срабатыванию световых индикаторов на устройстве обработки информации (приемнике) принимает решение о корректировании траектории движения машины. Предлагается два варианта конструктивного размещения устройства на пневмопробойнике (рис. 4.9): первый вариант – акустический, при котором передача информации на поверхность земли осуществляется с помощью акустических колебаний, а само устройство располагается внутри ассиметричной насадки; второй вариант – электромагнитный, при котором передача информации на поверхность земли осуществляется с помощью электромагнитных волн, создаваемых СВЧ передатчиком, расположенным за пневмопробойником.

а)

б)

Рис. 4.9. Размещение технических устройств на рабочем органе пневмоударной машины: а) общий вид; б) вид с поперечным разрезом конусной насадки пневмопробойника; 1 – СВЧ-генератор с кольцевой передающей антенной, 2 – кольцо с устройством на ртутных датчиках

Для повышения точности устройства предлагается использовать, например, ртутный датчик фирмы Assemtech, марки CW-1300-1 (Англия) (рис. 4.10) с минимальным дифференциальным углом (при котором происходит гарантированное срабатывание датчика), имеющий следующие параметры [65]:

Дифференциальный угол α//, град	10
Напряжение переключения, В	240
Ток переключения, А	0.2
Сопротивление контактов, Ом	1
Рабочая температура, ºС	от -37 до +100
Диаметр корпуса, мм	4.7
Материал корпуса	сталь
Длина датчика с выводами, мм	27

Рис. 4.10. Внешний вид ртутного датчика фирмы Assemtech

Малые габариты датчика позволяют поместить всю конструкцию акустического устройства вместе с аккумуляторами в полость, расположенную внутри ассиметричной насадки, или конструкцию электромагнитного устройства – за пневмопробойником. Корпус датчиков изготовлен из стали и может выдерживать нагрузки, которые будут воздействовать на насадку.

Устройство для определения направления поворота насадки пневмопробойника с передачей информации на поверхность земли по электромагнитному каналу связи [66]

Ртутные датчики и мультивибраторы расположены на плате, например, в виде кольца из стеклотекстолита (рис. 4.11) таким образом, чтобы его можно было прикрепить к задней части пневмопробойника. На второй плате в виде кольца из стеклотекстолита (рис. 4.11) аналогичных размеров размещены СВЧ-генератор и передающая антенна. Между кольцами для герметизации помещено кольцо из диэлектрика, и вся конструкция соединена с помощью винтов. Плоскость рабочего органа, относительно которой ориентировано устройство, перпендикулярна оси второго ртутного датчика 2, когда его контакты замкнуты. Для правильной работы устройство должно оставаться неподвижным относительно рабочего органа машины. А для уменьшения его влияния на работу передающей антенны необходимо изолировать от него плату, на которой расположен СВЧ-генератор с передающей антенной, радиочастотным материалом.

Рис. 4.11. Размещение элементов устройства на плате:

1 – первый ртутный датчик, 2 – второй ртутный датчик,

3 – третий ртутный датчик

Устройство работает следующим образом (рис. 4.12). Изначально каждый ртутный датчик находится в замкнутом состоянии. Погрешность определения положения ассиметричной насадки равна углу α//, который зависит от типа ртутных датчиков и равен их дифференциальному углу. Когда контакты всех ртутных датчиков замкнуты, запускаются все три мультивибратора. Это означает, что плоскость насадки, относительно которой ориентировано устройство, расположена горизонтально, о чем информирует срабатывание первого, второго и третьего световых индикаторов. При повороте машины вместе с насадкой против часовой стрелки на угол, превышающий угол α//, но меньший 90°, происходит гарантированное размыкание контактов первого ртутного датчика 1, а контакты второго 2 и третьего 3 ртутных датчиков остаются замкнутыми, при этом срабатывают только второй и третий мультивибраторы. При повороте машины вместе с насадкой по часовой стрелке на этот же угол происходит гарантированное размыкание контактов третьего ртутного датчика 3, а контакты первого 1 и второго 2 ртутных датчиков остаются замкнутыми, при этом происходит срабатывание только первого и второго мультивибраторов. С выходов мультивибраторов электромагнитные сигналы поступают на СВЧ-генератор и запускают его. Электромагнитные колебания, создаваемые СВЧ-генератором, излучаются передающей антенной и на поверхности земли принимаются с помощью приемника электромагнитных сигналов, на выходе которого активные фильтры выделяют принятые электромагнитные сигналы по частоте. Положение плоскости насадки, относительно которой устройство ориентировано, будет определяться срабатыванием соответствующего светового индикатора однозначно связанного с частотой соответствующего мультивибратора.

Рис. 4.12. Блок-схема устройства для определения направления поворота насадки пневмопробойника с передачей информации на поверхность земли по электромагнитному каналу связи

Горизонтальное положение машины определяют по одновременному срабатыванию всех трех световых индикаторов. Поворот машины вместе с насадкой вокруг оси на угол больше 90° по часовой стрелке приводит к размыканию контактов второго 2 и третьего 3 ртутных датчиков, при этом сигналы на входах второго и третьего мультивибраторов отсутствуют и, соответственно, сработает только первый световой индикатор. Поворот машины вместе с насадкой вокруг оси на угол больше 90° против часовой стрелки приводит к размыканию контактов первого 1 и второго 2 ртутных датчиков, при этом сигналы на входах первого и второго мультивибраторов отсутствуют и, соответственно, сработает только третий световой индикатор. Поворот машины вокруг оси на 180° приводит к размыканию контактов всех ртутных датчиков, при этом сигналы на входах мультивибраторов отсутствуют и, соответственно, ни один из световых индикаторов не срабатывает.

Изготовлен макетный образец устройства, который подтвердил свою работоспособность на практике. Основным достоинством устройства является передача информации на поверхность земли по беспроводному каналу связи и минимальные вмешательства в конструкцию скважинообразующего рабочего органа пневмоударной машины.

Устройство для определения направления поворота насадки пневмопробойника с передачей информации на поверхность земли по акустическому каналу связи [67]

Ртутные датчики 1, 2, 3 вместе с мультивибраторами 4, 5, 6 и акустическим излучателем расположены на плате, например, в виде круга из стеклотекстолита (рис. 4.13). Диаметр круга определяется внутренним диаметром насадки. Вся конструкция помещена в полость насадки так, чтобы его плоскость, относительно которой ориентируют устройство, располагалась перпендикулярно оси второго, среднего, ртутного датчика 2, когда его контакты замкнуты. Для правильной работы устройство должно оставаться неподвижным относительно корпуса машины.

Рис. 4.13. Размещение ртутных датчиков 1, 2 и 3 и мультивибраторов 4 на плате

Рис. 4.14. Блок-схема устройства для определения направления поворота насадки пневмопробойника с передачей информации на поверхность земли по акустическому каналу связи

Устройство с передачей информации по акустическому каналу (рис. 4.14) работает аналогично устройству с передачей информации по электромагнитному каналу (см. описание работы схемы на рис. 4.12). Отличие работы устройства с акустическим каналом связи заключается в способе передачи информации на поверхность земли – с помощью акустических колебаний, которые на поверхности земли принимаются любым акустическим приемником. О положении насадки аналогично предыдущему варианту судят срабатыванию соответствующего светового индикатора, однозначно связанного с частотой соответствующего мультивибратора.

Лекция 7. Основные параметры современных георадаров для подповерхностного зондирования сред

Георадар – прибор, работа которого основана на радиочастотном методе. В отличие от классической ситуации обнаружения воздушных и наземных объектов, георадар излучает зондирующие радиоимпульсы не в свободное пространство, а в среду с потерями (грунт, вода). Из-за большого поглощения электромагнитного сигнала в исследуемой среде к георадарам предъявляют более высокие требования, чем к классическим радиолокаторам.

Для обеспечения высокой разрешающей способности по дальности электромагнитные сигналы, излучаемые георадаром, имеют малую длительность и широкий спектр излучения по частоте. Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от находящегося в ней объекта (в данном случае – это пневмоударная машина) и принимается на поверхности земли приемной антенной, поступает на вход приемника, усиливается и выводится на устройство индикации. Уровень этого сигнала будет определяться дальностью до машины, ее отражающими свойствами и параметрами грунта.

Современный георадар позволяет предоставлять информацию о наличии в грунте пневмоударной машины и ее примерное местоположение, а также дальность до нее. Но с его помощью нельзя определить точное положение или отклонение машины от заданного курса, а также направление ее поворота вокруг оси. Недостаток информативности георадара в какой-то степени компенсируется отсутствием вмешательства в конструкцию машины. Также с помощью современных георадаров можно проводить первичное обследование грунта на наличие в нем неоднородностей и уже проложенных коммуникаций. Это позволяет избежать поломки оборудования в процессе бурения.

В современных монографиях по подземной радиолокации уделено достаточное внимание принципам работы георадаров, поэтому в работе представлены только их основные параметры. В табл. 5.1 приведены широко используемые в России георадары для решения различного рода задач.

Георадары ОКО разрабатывают и изготовляют системы» совместно с Приборостроения (г. Жуковский Московской обл.). Георадары «Герард» разрабатываются СКБ ИРЭ РАН совместно с ИРЭ РАН с целью создания многоцелевых многодиапазонных георадаров для применения в геологических и планетологических изысканиях, инженерно-строительных работах, диагностике дорожных покрытий, археологии и т. д.

Рабочая частота современных георадаров находится в пределах от 1 МГц до 40 ГГц. В зависимости от рабочей частоты георадары подразделяют на низкочастотные (с полосой частот 1-50 МГц и глубиной зондирования до первых сотен метров), среднечастотные (соответственно 50-500 МГц и глубиной зондирования десятки метров) и высокочастотные (500 МГц - 40 ГГц и глубиной зондирования десятки сантиметров). В зависимости от решаемой задачи выбирают георадар с той или иной рабочей частотой.

Таблица 5.1.

Основные параметры современных радаров [3, 68]

Георадар	«Око»	«Герад»	«ГРОТ-10»	«ГРОТ-11»	ГРВР-02
Тип антенн	АБД	АБ-150	АБ-250	АБ-400	АБ-700	АБ-1200	АБ-1700	А-20	А-600	А-2000	ТЕМ
Максимальная глубина зондирования, м	30	12	8	5	3	1,5	1	10	4	1	15-100	30-200	0,3-0,4
Разрешающая способность, м	0,5-2,0	0,35	0,25	0,15	0,1	0,05	0,03	0,2	0,1	0,02	0,05-0,10	0,02
Габаритные размеры антенны, мм	-	1580/620/ 160	1040/430/ 110	680/275/ 120	470/160/ 170	400/160/ 180	205/165/ 135	400/420/90
Масса антенны, кг	6,0	22,0	14,0	8,0	2,0	2,4	1,5	4	0,85	0,45	12	15
Частота, МГц	25-100	150	250	400	700	1200	1700	0,125	50-500	1-50
Скорость движения, км/ч	20-30	10			30-40
Диапазон раб. температур, ºС	-30…+50	-20…+65	-20…+50	-20…+50
Питание	Встроенный никель-металл-гидридный аккумулятор или внешний источник питания	12 В; 0,7А	Мощность 18 Вт	Мощность 26 Вт	9 … 15 В 0,9 А
Подключение	к КПК, ноутбуку, КПК по интерфейсу RS-485. Возможно подключение по радиомодему на расстоянии до 100 м.	ПК с мин. сис. требованиями Pentium 100 МГц 8Мб ОЗУ	ПК с интерфейсом RS-232	LPT порт

Оценка предельной дальности обнаружения подземного объекта радиочастотным методом

Под дальностью обнаружения подземного объекта понимают макси­мальную глубину его залегания, при которой отраженная от него электромагнитная волна может быть выделена приемником [68].

Основное ограничение дальности георадара – ее зависимость от свойств изучаемой среды. Желание преодолеть это ограничение известными способами наталкивается на определенные трудности. Поэтому столь большое место уделено именно вопросу оценки дальности георадиолокации.

При фиксированных параметрах источника дальность может изменяться от нескольких метров в глинах до нескольких километров в скальных породах. Динамические характеристики регистрируемых при георадарных исследованиях отраженных волн сложным образом зависят от спектра возбуждаемого сигнала, диэлектрической проницаемости и проводимости среды. При этом сами электрические свойства реальных гетерогенных и многофазных сред являются, как было показано выше (см. главу 2), функциями частоты. В этих условиях строгое решение задачи об изменении интенсивности и формы электромагнитных волн в процессе их распространения принципиально невозможно. Оценку дальности георадарных исследований можно проводить только на основе классической теории, заведомо допуская большие отклонения расчетных величин от истинных. Классическая теория показывает, что в проводящих средах существует поглощение и дисперсия фазовых и групповых скоростей распространения электромагнитных волн, что приводит к уменьшению интенсивности и изменению формы электромагнитных импульсов по мере их распространения в поглощающей среде, определяя тем самым практически достижимую дальность метода.

На практике общепринятыми методами увеличения дальности являются увеличение мощности передатчика, изменение спектрального состава излучаемых импульсов либо синхронное накопление. Каждый из этих методов имеет свои ограничения, которые зависят от характеристик излучаемого сигнала. Понижение частоты возбуждаемых колебаний зачастую приводит к потере разрешающей способности, а в области частот меньше 20 МГц – к выходу на существенно нелинейную часть дисперсионных кривых, что, в свою очередь, резко сужает область использования полученных при таком возбуждении параметров разреза, т. к. они могут относиться только к узкому частотному диапазону. Синхронное накопление имеет ограничения, связанные с разрядностью аналого-цифровых преобразователей и частотой посылок возбуждаемых импульсов. Гораздо быстрее развивается техника в области увеличения мощности георадаров, и на этом основании строятся предположения о том, что увеличение мощности георадара в тысячи раз приведет к увеличению дальности разведки до сотен метров даже в низкоомных высокопоглощающих породах типа глин [68, 69].

В нашем случае основной задачей является обеспечение высокой разрешающей способности георадара при измерении дальности, так как пневмоударные машины в основном работают на глубинах от 0,5 до 5 м. Поэтому для повышения разрешающей способности по дальности целесообразно повышать рабочую частоту передатчика. Ниже приводится методика расчета мощности, наводимой на входе приемника, отраженного от объекта сигнала, то есть при прохождении излучаемой электромагнитной волны пути «передатчик-объект-приемник».

Расчеты выполнялись для следующих параметров:

мощность излучаемого сигнала – 1 Вт;

грунт в пределах распространения электромагнитных волн однородный;

объект представляет собой пневмопробойник с навинчиваемыми на него стальными трубами (длина такой конструкции составляет несколько десятков метров и для расчетов может быть моделирована бесконечно длинной проводящей трубой);

диаметр объекта 130 мм;

Рис. 5.1. Модель взаимодействия приемо-передающей системы с бесконечно длинной проводящей трубой: 1 – приемо-передающая антенна; 2 – труба

Сигнал, отраженный от объекта, принимается приемной антенной и характеризуется мощностью рассчитываемой по методике, изложенной в п. 3.2.4.

Потерями в приемной и передающей антеннах в первом приближении пренебрегаем. Мощность на входе приемной антенны в основном определяется эффективной площадью рассеяния объекта, потерями в среде и рабочей частотой передатчика. Расчеты проводились по формуле (3.5). Полученные значения Рприемн представлены в табл. 5.2 и 5.3.

Таблица 5.2.

Значение Рприемн(Вт) для различных частот передатчика (для среды суглинок)
R, м	f=1 ГГц	f=2 ГГц	f=3 ГГц
0,5	1,83∙10-6	1,08∙10-7	1,15∙10-8
1,0	3,61∙10-9	3,80∙10-11	7,15∙10-13
1,5	2,25∙10-11	4,21∙10-14	−
2,0	2,24∙10-13	−	−
Таблица 5.3.
Значение Рприемн(Вт) для различных частот передатчика (для среды супесь)
R, м	f=1 ГГц	f=2 ГГц	f=3 ГГц
0,5	1,20∙10-5	1,81∙10-6	4,93∙10-7
1,0	2,38∙10-7	2,03∙10-8	3,08∙10-9
1,5	1,49∙10-8	7,13∙10-10	6,07∙10-11
2,0	1,48∙10-9	4,01∙10-11	1,92∙10-12
2,5	1,92∙10-10	2,92∙10-12	−
3,0	2,93∙10-11	−	−
3,5	5,01∙10-12	−	−

По результатам расчетов при технически достижимой относительной чувствительности приемника по мощности 120-140 дБ (10 Вт) или по напряжению – единицы мкВ теоретически можно измерить расстояние до рабочего органа машины, движущейся в суглинке на глубине до 2 м и в супеси на глубине до 3,5 м.

Лекция 8. Моделирование диаграммы направленности передающей антенны георадара на границе раздела двух сред «воздух-грунт»

Для наземных георадаров, используемых для подповерхностного зондирования, существенным является вопрос взаимодействия ближнего поля антенн с поверхностью зондируемой среды. Излучение антенны, расположенной на границе двух сред, впервые было теоретически исследовано Зоммерфельдом в 1909 г. Схема постановки задачи представлена в п. 3.2.1 на рис. 3.8.

Пусть передающая антенна расположена на высоте h над плоской границей, разделяющей однородные полупространства двух сред с соответствующими диэлектрическими проницаемостями ε1 и ε2, проводимостями σ1 и σ2, и магнитной проницаемостью .

Как следует из [71], диаграмма направленности щелевой антенны (которую планируется использовать в качестве передающей антенны дальномера) с точностью до некоторого постоянного коэффициента можно описывать формулами для поля полуволнового вибратора. В [19] приведены формулы для расчета прошедшей и отраженной электрических компонент электромагнитного поля диполя. В п. 3.2.1 электрическая компонента электромагнитного поля Е2 (см. рис. 3.8), прошедшая во вторую среду (грунт) рассчитывается по формуле (3.3), а коэффициент прохождения по формуле (3.4). В первой среде (в воздухе) будет распространяться отраженная волна Е1:

,

и .

где V┴ – коэффициент отражения для рассматриваемых двух сред [19]:

. (5.1)

Определим расстояние h, на котором должна быть расположена передающая антенна от поверхности земли, что бы обеспечить оптимальные направленные свойства. Также рассмотрим влияние металлической неоднородности в грунте на формирование диаграммы направленности передающей антенны. Очевидно, что в случае расположения антенны в однородной среде коэффициенты отражения становятся равными нулю, коэффициенты прохождения равны единице и формулы становятся равнозначными. В пространстве диаграмма направленности полуволнового вибратора имеет вид тора (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Результат моделирования диаграммы направленности

полуволнового вибратора в воздухе

Рис. 5.5. Модель для расчета диаграммы направленности

передающей антенны на границе раздела двух сред «воздух-супесь»

Расчеты выполнялись для следующих параметров: длина плеча электрического полуволнового вибратора – 50 мм; частота передатчика – 1,5 ГГц; свойства супеси: диэлектрическая проницаемость – 3, удельная проводимость – 0.00025 См/м.

Рис. 5.6. Результат моделирования диаграммы направленности антенны, расположенной на поверхности грунта (типа супесь, h=0)

Рис. 5.7. Результат моделирования диаграммы направленности антенны, расположенной на поверхности грунта (типа супесь, h=0) при наличии в нем неоднородности в виде стального прута диаметром 0,25·λ, расположенного на глубине равной λ относительно поверхности земли

Рис. 5.8. Результат моделирования диаграммы направленности антенны, расположенной над поверхностью грунта (типа супесь) – h=0,1λ

Рис. 5.9. Результат моделирования диаграммы направленности антенны, расположенной

над поверхностью грунта (типа супесь) – h=0,5λ

Результаты математического моделирования сопоставлялись с результатами практических исследований, представленных в литературе [70, 72].

Результаты моделирования диаграммы направленности электрического полуволнового вибратора (рис. 5.6-5.9) показали, что оптимальным является расположение передающей антенны на самой поверхности грунта (по крайней мере, оно не должно превышать 0,1·λ), при таком условии вся энергия будет сосредоточена в среде, а отражения в воздух будут минимальны. При наличии в грунте металлических неоднородностей происходит переотражение излучаемой энергии от неоднородности в первую среду – воздух.

Моделирование формирования отраженного от проводящего объекта поиска, расположенного в грунте, широкополосного импульсного или непрерывного сигнала

Задача георадара – обнаружение в грунте неоднородностей, по своим свойствам (магнитной и диэлектрической проницаемости) отличающихся по отношению к окружающей среде, обладающей сильным поглощением и дис­персией. При изучении вопросов распространения коротких и ультракоротких радиоволн в процессе моделирования работы георадара приходится решать задачу определения формы и параметров отраженной от поверхности неоднородности электромагнитной волны. По данной информации можно восстановить параметры исследуемого грунта, а так же электромагнитные свойства неоднородности. Так как большинство грунтов и пород обладают сильной дисперсией и коэффициентом поглощения, быстро растущим с увеличением частоты сигнала, для достижения требуемой разрешающей способности по дальности и координатам объекта используют максимально широкополосные сигналы. Средняя частота излучаемого спектра определяется параметрами и габаритами антенны.

Применение георадаров в бестраншейных технологиях прокладки подземных коммуникаций целесообразно в качестве устройств измерения дальности до движущейся в грунте пневмоударной машины. Определение координат машины возможно только при высокой разрешающей способности дальномера по дальности – единицы см, при глубине обнаружения до 10 м. Поэтому к разработке таких устройств применяют жесткие требования по обеспечению заданных параметров. Однако использование георадаров в качестве дальномерных устройств для решения задачи измерения дальности до пневмоударной машины, движущейся в грунте, представляется перспективным, поскольку не требует никакого вмешательства в конструкцию машины (измерения осуществляются с поверхности земли) [73].

Постановка задачи

Допустим, что к приемной антенне, расположенной в точке А на поверхности земли, на расстоянии R метров от границы раздела двух сред «грунт-проводящий объект», подходит горизонтально-поляризованный луч, составляющий угол γ/ с поверхностью объекта (рис. 5.10). В первом приближении можно рассматривать границу раздела сред «грунт-проводящий объект» как плоскую, но при расчетах необходимо учесть эффективную отражающую поверхность объекта. В качестве проводящего объекта в данном случае подразумевается пневмоударная машина (материал, из которого она изготовлена – сталь).

Рис. 5.10. Отражение от поверхности проводящего объекта горизонтально-поляризованной волны. 1 — вектор электрического поля падающей волны; 2 — вектор электрического поля отраженной волны

Далее, этот отраженный от границы раздела сред луч создает в точке А электрическое поле электромагнитной волны. Плоская волна состоит из бесконечного множества параллельных лучей часть которых попадет в точку А и будет суммироваться.

Необходимо вычислить амплитуду и фазу отраженного от проводящего объекта непрерывного или импульсного сигнала, учитывая комплексный коэффициент отражения.

Решение задачи для синусоидального сигнала георадара

Если напряженность электрического поля падающей волны на поверхность раздела сред «грунт-проводящий объект» определяется формулой:

(для дальней зоны при условии, что >>1, где kgr – волновое число грунта, R – расстояние между антенной и объектом поиска), то поле отраженной волны в точке А будет рассчитываться по формуле [23]:

, (5.2)

где , λ – длина волны для вакуума, tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь для грунта, ε/ – комплексная диэлектрическая проницаемость грунта, – характеризует сдвиг фаз, возникающий в процессе отражения сигнала; ω, t – круговая частота и время распространения электромагнитной волны в грунте соответственно, Em – амплитудное значение напряженности электромагнитного поля, а слагаемое – сдвиг фаз, обусловленный прохождением электромагнитной волной пути R; v и λс – скорость распространения электромагнитной волны в среде (грунте) и ее длина волны соответственно, V┴ – коэффициент отражения от границы раздела двух сред (индекс ┴ соответствует горизонтально-поляризованным волнам) рассчитывается по формуле (5.1). Если объект изготовлен из идеально проводящего материала (т. е. материала с бесконечно большой проводимостью), тогда в (5.1) μ2 – его магнитная проницаемость значительно превышает μ1 – магнитную проницаемость грунта (которая равна 1) и коэффициент отражения: . Следовательно, в данном случае энергия падающей горизонтально-поляризованной волны полностью отражается от объекта и в нем распространяться не может. При нормальном падении волны на идеально проводящую поверхность, отраженная волна оказывается сдвинутой по фазе по отношению к излучаемой на 180° относительно падающей, так как вектор напряженности электромагнитного поля меняет свое направление на противоположное [23]. На рис. 5.11 представлена зависимость напряженности поля сигнала, отраженного от проводящего объекта, расположенного в грунте с различными электромагнитными параметрами.

Рис. 5.11. Зависимость Еотр(t) напряженности поля электромагнитной волны, отраженной от проводящего объекта, расположенного в средах:

1 – мерзлый грунт с ε/=4 и tgδ=0,1; 2 – влажная супесь с ε/=9 и tgδ=0,025;

3 – влажный песок с ε/=13 и tgδ=0,01, при частоте передатчика 100 МГц, R=0,3 м

По результатам расчетов (рис. 5.11) для непрерывного сигнала можно сделать следующий вывод: с увеличением поглощающих свойств грунта уменьшается амплитуда отраженного сигнала и увеличивается время его задержки.

Задача восстановления параметров грунта и расположенных в нем неоднородностей является весьма сложной и громоздкой при ее практическом решении. Проведение расчетов требует отдельного вычисления модуля и аргумента комплексных коэффициентов отражений.

Если рассматривать задачу отражения синусоидального сигнала от границы раздела двух сред, близких по своим характеристикам (например, «супесь-суглинок»), то в [23] приведены зависимости для определения аргумента и модуля коэффициента отражения от границы раздела сред. Графики составлены для трех значений диэлектрической проницаемости грунта ε/=4, 10 и 80. Эти значения охватывают практически все встречающиеся типы грунтов. Для каждого из значений диэлектрической проницаемости в [23] предствлены два графика – по одному определяют модуль коэффициента отражения, а по второму – его аргумент (угол отражения).

Решение задачи для импульсного широкополосного сигнала георадара

Для обеспечения требуемой разрешающей способности по дальности при зондировании приповерхностного слоя земли современные георадары используют максимально широкополосные импульсные сигналы. При формировании импульсов используется, в основном, “ударное возбуждение” антенны перепадом напряжения. Аналитически импульсный сигнал, излучаемый георадаром, можно задать в виде [3]:

, (5.3)

где Т – период колебаний, τ – постоянная времени определяемая выходными параметрами генератора.

Вид такого сигнала для длительности импульса 0,66 нс представлен на рис. 5.12. Форма отраженного сигнала будет зависеть не только от диэлектрических свойств грунта, но и от наличия в нем выраженных границ между двумя слоями.

Рис. 5.12. Форма сигнала георадара, используемого при моделировании

Теперь рассмотрим сигнал, отраженный, например, от скважинообразующего рабочего органа, расположенного в грунте типа влажной супеси с ε'≈9, тангенсом угла потерь tgδ ≈0,025 и типа влажный песок с ε' ≈ 13, тангенсом угла потерь tgδ ≈ 0,01. Расчеты проводились для диаметра рабочего органа 130 мм и длиной много больше λ, материал – сталь. В таком случае сигнал, отраженный от проводящей поверхности рабочего органа, и наведенный в приемнике, можно представить выражением:

, (5.6)

где Sцил – эффективная отражающая площадь скважинообразующего рабочего органа при нормальном падении на него электромагнитной волны рассчитывается по формуле, представленной в п. 3.2.4: , d – диаметр рабочего органа; τ/ – постоянная времени, определяемая временем прохождения сигнала в грунте расстояния от передающей антенны до рабочего органа машины и обратно: , ψ – угол, определяющий разнесение между передающей и приемной антеннами (см. рис. 3.13); v – скорость распространения электромагнитной волны в среде: (с – фазовая скорость распространения электромагнитных волн в воздухе соответствует скорости света 3·108 м/с).

Аналогично рассмотренному выше случаю коэффициент отражения от проводящей поверхности рабочего органа можно принять равным +1, а фаза отраженного сигнала по отношению к излучаемому изменяется на 180°. Ниже представлены результаты расчета отраженного импульса от скважинообразующего рабочего органа при нормальном падении на него электромагнитной волны, излучаемой георадаром. Для последующих расчетов примем, что на глубине до 0,5 м почва однородна. На рис. 5.13 представлен сигнал S(t) – сумма излучаемого и отраженного сигналов для длительностей импульса 0,66 и 0,33 нс [73].

1 – излучаемый и 2 – отраженный импульсы

а – “влажная супесь – проводящая труба”, длительность импульса 0,66 нс;

б – “влажный песок – проводящая труба”, длительность импульса 0,66 нс;

в – “влажная супесь – проводящая труба”, длительность импульса 0,33 нс;

г – “влажный песок – проводящая труба”, длительность импульса 0,33 нс

Рис. 5.13. Отражение широкополосного импульсного сигнала георадара от границы раздела двух сред для R = 0,3 м

Увеличение диэлектрической проницаемости среды приводит к уменьшению амплитуды отраженного импульса и еще большей задержке сигнала по времени. Повышение рабочей частоты передатчика приводит к появлению колебательного процесса импульсного сигнала, что требует экспериментальной проверки. Зная скорость распространения электромагнитного сигнала в грунте по времени его задержки, можно рассчитать дальность до проводящего объекта.

Лекция 9. Технические особенности реализации классического принципа построения радиочастотного дальномера с шумовой модуляцией применительно к задаче измерения дальности до пневмоударной машины

В п. 1.2.2 представлена структурная схема классической реализации радиочастотного дальномера с частотной модуляцией. Рассмотрен принцип его работы применительно к решению задачи измерения дальности до пневмоударной машины, движущейся в грунте.

Для повышения чувствительности дальномера и возможности измерять малые дальности применяют дальномер, предложенный Хортоном [2]. Существенной особенностью дальномера Хортона является то, что частотная модуляция передатчика осуществляется не с помощью синусоидального напряжения или напряжения пилообразной формы, а с помощью хаотического шумового напряжения. Это дает два преимущества: однозначную индикацию и способность измерять очень малые дальности. При этом индекс модуляции принимают много меньше единицы, что практически исключает паразитную амплитудную модуляцию и упрощает конструкцию устройства. Функция взаимной корреляции между принимаемым сигналом (сигналом, несущим информацию) и излучае­мым сигналом (контрольным сигналом) будет иметь максимальное значение при аргументе, равном времени задержки. Поэтому, если задержать принимаемый сигнал на время его прохождения до объекта и обратно, можно скомпенсировать время распространения радиоволны. Однако такое прямое решение оказалось затруднительным из-за невозможности разделения сигналов и трудностей с созданием точной управляемой линии задержки. Это привело к отказу от линейности статической характеристики дальномера и использованию экспоненциальной функциональной зависимости от дальности (задержки). Для однозначной индикации требуется монотонность корреляционной функции модулирующего шума [2, 74].

Принцип работы радиочастотного дальномера с шумовой модуляцией поясняется блок-схемой (рис. 5.14). Дальномер с шумовой модуляцией работает следующим образом: сигнал с генератора шума 1 поступает на интегрирующую RC-цепь 2, которая выделяет из «белого шума» часть спектра, которая определяет максимальную дальность дальномера и исключает неоднозначность в определении дальности. Далее «окрашенный» шум поступает на модулятор 3, выполненный на варикапе, и затем на СВЧ генератор передатчика 4 и излучается в среду передающей антенной 5.

Отраженный от проводящего объекта 17 сигнал принимается приемной антенной 6, после чего поступает на СВЧ смеситель 7, к выходу которого подключен интегратор 8. На выходе данного интегратора выделяется низкочастотный шумовой сигнал, задержанный на время распространения τТ, после его усиления усилителем 9, сигнал ограничивают ограничителем 11и подают на первый вход перемножиНа второй вход перемножипоступает сигнал с усилиПолученный в результате перемножения сигнал поступает через интегратор 13 на первый вход компаратора 14, на второй вход которого поступает постоянное напряжение с устройства 15, ограничивающее порог срабатывания компаратора 14. По порогу срабатывания компаратора 14 можно определить дальность до объекта 17.

Рис. 5.14. Блок-схема дальномера с шумовой модуляцией:

1 – генератор шума; 2 – интегрирующая RC-цепь; 3 – модулятор; 4 – СВЧ генератор передатчика; 5 – передающая антенна; 6 – приемная антенна; 7 – СВЧ смеситель; 8 – интегратор; 9,10 – усилители шумовых сигналов; 11 – ограничитель; 12 – перемножитель; 13 – интегратор; 14 – компаратор; 15 – регулируемый порог; 16 – индикатор, 17 – скважинообразующий рабочий орган

Сигнал f2(t) отраженный от скважинообразующего рабочего органа 16 похож по форме на излучаемый сигнал f1(t), но отстает от него на время запаздывания τT [75]:

Сигнал на выходе дальномера представляет собой взаимно корреляционную функцию входных сигналов [75]

,

имеющую максимум при .

Излучаемый сигнал необходимо задерживать настолько, чтобы скомпенсировать время распространения сигнала до рабочего органа и обратно, что при практической реализации требует конструирования переменной и автоматически устанавливающейся линии задержки. Жесткие требования по габаритно-весовым и экономическим показателям не позволяют реализовать это практически.

Для исключения этих трудностей Хортон предложил построить дальномер, работа которого основана на изменении фронта автокорреляционной функции модулирующего шумового спектра.

Хортоном было введено понятие антикорреляционной функции, которая получается из среднеквадратичного значения разности двух сигналов, модулированных шумом, – незадержанного (τ=0) и задержанного на τT. Антикорреляционная функция описывается выражением [2]

.

В соответствии с этим определением разность незадержанного излученного модулированного напряжения и напряжения на входе приемника, сдвинутого на время распространения в грунте до рабочего органа, следует подать на квадратирующий каскад и затем в интеграторе (фильтр низких частот) сформировать среднее значение квадрированных разностных напряжений, которое и регистрируется индикатором дальномера.

Для однозначной индикации дальности требуется, чтобы автокорреляционная функция монотонно спадала до нуля. Иначе получится многозначность при измерении дальности. Поэтому неправильно применять полосу шума с постоянной спектральной плотностью и резко выраженной верхней граничной частотой. Хортон предложил, чтобы спектр мощности затухал с ростом частоты, что можно осуществить с помощью RC-цепочки, показанной на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Простая RC-цепочка для формирования спектра шумов с экспоненциально затухающей автокорреляционной функцией для модуляции сигнала дальномера Хортона

Для RC-цепочки действительно соотношение [2]

,

где , а – постоянная времени RC-цепочки (на входе спектр белого шума).

С учетом преобразования Фурье может быть получена автокорреляционная функция спектра окрашенного шума

.

Вид такой функции показан на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Автокорреляционная функция шумового модулирующего напряжения на выходе RC-цепочки

В рассматриваемом случае индикатором регистрируется антикорреляционная функция [2]

Хортон выбрал постоянную времени RC-цепочки ι=2·10-7 с (что соответствует дальности 30 м до объекта, расположенного в воздухе, в грунте эта дальность уменьшается в раз). При этом граничная частота спектра окрашенного шума, который используется для модуляции передатчика, замеренная на уровне 3 дБ, равна 0,8 МГц.

На рис. 5.17 представлена кривая индикатора Хортона [2]. Эта зависимость при малых значениях времени задержки τТ имеет большую крутизну. Следовательно дальномер при малых глубинах будет иметь наибольшую чувствительность, что и требуется при измерении дальности до скважинообразующего рабочего органа. Задавая граничную частоту окрашенного шума, свойства грунта, можно оценить предельную дальность дальномера. Например, при полосе шума 0,8 МГц, диэлектрической проницаемости грунта равной 9, дальность составит около 10 м.

Рис. 5.17. Теоретическая кривая индикатора дальномера Хортона

Практически антикорреляционная функция получится, если напряжение, развиваемое передатчиком, поступит непосредственно с передающей антенны на приемную. На входе приемника имеется смесительный каскад, который вырабатывает напряжение мгновенной частоты, равной мгновенной разности частот излучаемого и приемного (отраженного) сигналов. В противоположность обычным дальномерам она лежит не в области низких частот, а требует видеоусилителя с верхней частотой примерно 1 МГц. На выходе детектора ЧМ-сигналов приемника появляется разность излучаемого и отраженного сигналов, т. е. разность двух когерентных, но сдвинутых на время задержки шумовых напряжений. Дальномер Хортона не требует отдельного квадрирующего каскада, достаточным оказывается получить среднее значение напряжения на выходе линейного детектора ЧМ-сигналов, подключенного к усилителю низкой частоты. Это объясняется тем, что детектор регистрирует не среднее арифметическое значение разности частот, которое равно нулю, а абсолютные значения положительных и отрицательных отклонений частот. При этом будут иметь место только положительные низкие частоты. Если через обозначить разность частот на входе детектора, соответствующую разности напряжений излучаемого и отраженного сигналов, то хотя и будет справедливым , поскольку модулированные шумом напряжения не содержат постоянных составляющих, детектор после фильтрации (интегрирования) дает постоянное напряжение, пропорциональное величине при .

Таким образом, для гауссова шума, который здесь можно предположить, справедливо следующее соотношение между и дисперсией [2]:

.

Поскольку это сводится к измерению , для того чтобы получить на выходе детектора ЧМ-сигналов величину , и поскольку обе величины, в соответствии с изложенным пропорциональны друг другу, то в конечном счете является мерой искомой антикорреляционной функцией.

Таким образом, можно констатировать, что после фильтра, подключенного к выходу детектора ЧМ-сигналов, будет регистрироваться искомая величина, характеризующая дальность до рабочего органа, расположенного в грунте. На рис. 5.18 показана структурная схема дальномера Хортона [2].

Рис. 5.18. Блок-схема дальномера Хортона с модуляцией шумами

1 – генератор шумов; 2 – RC-цепочка; 3 – частотный модулятор; 4 – мощный усилитель; 5 – передающая антенна; 6 – линейный дискриминатор; 7 – ограничитель; 8 – усилитель низкой частоты; 9 – смеситель; 10 – приемная антенна

Положительным качеством радиочастотного дальномера с шумовой модуляцией являются высокая точность измерения небольших дальностей до скважинообразующего рабочего органа и достаточная равномерность шкалы.

С использованием современной элементной базы был изготовлен макетный образец дальномера Хортона с шумовой модуляцией [76].

В табл. 5.4 представлена экспериментальная зависимость Uвых(Епит), которая характеризует, что при Епит>13 В, амплитуда шума становиться постоянной.

Таблица 5.4.

Зависимость напряжения на выходе генератора шума

от напряжения питания

Епит, В	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Uвых, В	0	0	1	1.2	1.5	2	2.5	4.8	5	5

Фотография конструктивной реализации дальномера с шумовой модуляцией представлена на рис. 5.19. Отдельные блоки устройства экранированы, в качестве приемной и передающей антенн использованы щелевые антенны. Диаметр конструкции в корпусе не превышает 85 мм.

а)

б)

Рис. 5.19. Практическая реализация радиочастотного дальномера с шумовой модуляцией: а) в корпусе; б) конструкция: 1 – СВЧ передатчик, 2 – два усилителя и интегратор,

3 – СВЧ приемник, 4 – щелевая приемная и передающая антенны, 5 – перемножитель и блок обработки, 6 – индикатор.

Основными достоинствами разработанного дальномера с шумовой модуляцией, используемого при измерении дальности до проводящего объекта, находящегося в приповерхностном слое земли являются: небольшие вес и габариты аппаратуры, разрешающая способность по дальности в грунте около 10 см. Экспериментальные исследования в лабораторных условиях показали, что радиочастотный дальномер с шумовой модуляцией (рабочая частота 2,4 ГГц) без использования усилителя способен реагировать на проводящий объект (металлическую пластину размерами 0,3м*0,3 м), расположенную в воздухе на расстоянии около 3 м, а с усилением сигнала – до 10 м.

Сравнение радиодальномеров с частотной модуляцией в форме симметричной пилы и с модуляцией шумоподобным сигналом.

При сравнении двух рассмотренных дальномеров можно сделать следующие выводы:

ü  радиочастотный дальномер с частотной модуляцией обеспечивает точность измерения расстояния до рабочего органа пневмоударной машины в грунте единицы см (см. расчеты в п. 1.2.2);

ü  точность измерений дальномера с частотной модуляцией зависит от величины девиации частоты, а также от электромагнитных свойств грунта и дальности до объекта, то есть, чем большую девиацию удастся получить, тем выше будет точность измерений (см. расчеты п. 1.2.2);

ü  точность измерений дальности дальномером Хортона с шумовой модуляцией выше и зависит от полосы окрашенного шума;

ü  помехозащищенность дальномера с шумовой модуляцией выше, чем у дальномера с частотной модуляцией, так как шум представляет собой случайный процесс; вероятность повторной генерации случайного процесса равна 0;

ü  по электрическим характеристикам потребляемой энергии дальномеры имеют одинаковые параметры: ток потребления 50 мА, напряжение питания 12 В.

Реализация дальномера с шумовой модуляцией предпочтительнее в виду того, что точность измерений не зависит от параметров генерации (величины девиации частоты), принципиальная схема устройства проще, а надежность обеспечения заданных требований выше. Вариант исполнения радиочастотного дальномера с частотной модуляцией, в силу дискретности результирующего сигнала, для повышения точности измерений, при прочих одинаковых условиях, требует больших значений девиации частоты и, следовательно, реализуем только в области СВЧ. Вариант дальномера Хортона реализуем в области более низких частот, что повышает дальность измерений.

Лекция 10. Применение металлодетекторов

В 20-е годы в США были разработаны приборы, обнаруживающие инструменты и готовые изделия, выносимые рабочими с заводов. Приборы назывались металлодетекторы (metaldetektor дословно - металлообнаруружитель). [1]

Металлодетекторами заинтересовались военные. Во время Второй мировой войны быстро развивалась техника обнаружения металлов, и было разработано специальное оборудование для поиска мин. После войны оно дешевело распродавалось в США, и многие люди быстро оценили возможности миноискателей при поиске зарытых сокровищ и золотых самородков.

Послевоенные металлоискатели работали на вакуумных лампах, были громоздки и потребляли много энергии. Лишь в середине 60-х годов были созданы малогабаритные, стабильные и чувствительные приборы, которые могли различать металлы и позволяли отстраиваться от влияния окружающей среды.

С каждым годом расширяется область применения металлоискателей в самых различных сферах.

Для военных металлоискатель - это прежде всего миноискатель. Здесь не требуется способность прибора различать металлы. До недавнего времени не требовалась и высокая чувствительность, однако с появлением пластиковых мин фугасного действия ситуация изменилась: в пластиковой или керамической мине осталось лишь небольшое количество металлических элементов конструкции взрывательного устройства. Обнаружить их способен только высокочувствительный прибор. Как ни удивительно, у нас пока еще засекречены технические разработки времен Великой Отечественной войны, хотя в магазинах свободно продается современная американская техника. Российская армия до сих пор обходилась только отечественными миноискателями. В последнее время, по разным причинам, миноискателей собственного производства стало резко не хватать, стали использовать американские приборы.

В охранных структурах и криминалистике - металлоискатель применяется сейчас шире, чем где-либо. Любой человек сталкивается с ними при входе в банк, аэропорт или ночной клуб. Прежде всего - “ ворота ” , при проходе через которые можно обнаружить даже незначительные предметы. Бывает, используют небольшие металлоискатели для личного досмотра. Ими без труда и с высокой точностью локализуется подозрительный предмет. Подобными приборами обязательно оснащены подразделения внутренних войск, охраняющие места лишения свободы. На Западе террористы часто практикуют посылку писем с заложенными в них взрывчатыми устройствами. Пытаясь защититься от этого, крупные учреждения имеют специальные приборы для проверки входящей почтовой корреспонденции.

В строительстве ив процессе ремонтных работ: для обнаружения балок и других несущих конструкций, проследить, как проходит в земле трубопровод или электрический кабель.

В процессе обработки древесины, особенно поступающей из пригородных лесов. В стволах попадаются гвозди и другие металлические предметы. Избежать поломки пилы или другого оборудования можно только проверив древесину металлоискателем. Специальная рамка, установленная перед циркулярной пилой, автоматически остановит транспортер при обнаружении металла в древесине.

При сортировке мусора на мусороперерабатывающих предприятиях возникает необходимость избавить, например, макулатуру от металлических предметов. Хорошо, если предметы - железные, и их можно удалить магнитом. Обнаружить и удалить немагнитные металлические объекты можно только индукционным металлоискателем.

Металлоискатели могут использоваться и в других областях, например, при поиске полезных ископаемых, археологии и т. д.

В соответствии с назначением и кругом решаемых задач кладоискательные приборы подразделяются на:

- приборы для обучения - дешевые приборы, предназначенные для приобретения начального опыта работы с металлоискателями. Они как правило имеют чаще всего 1 режим работы - динамическую дискриминацию;

- универсальные приборы - ориентированные на решение широкого круга задач. Для работы с такими приборами требуется некоторая подготовка; приборы имеют несколько режимов работы, среди которых обязательно есть статический режим точного обнаружения;

- компьютеризованные приборы - предназначенные для подготовленных пользователей, позволяет осуществлять детальный анализ скрытых объектов по размеру, металлу и глубине; их настройка осуществляется обычно с помощью небольшой клавиатуры и ЖКИ дисплея;

- глубинные - приборы для поиска больших объектов на большой глубине (2-6 м);

- подводные - герметичные приборы для поиска сокровищ на дне водоема.

Требования, предъявляемые к металлодетекторам

Металлодетекторы по принимаемой сегодня классификации относятся к устройствам досмотра, входящих в состав интегрированных средств охраны или используемых автономно. Конструктивно такие металлодетекторы могут быть встроенными в устройства заграждения систем контроля и управления доступом, автономными стационарными или автономными переносными.

К предметам, запрещенным к проносу посетителями на охраняемые объекты и выявляемым металлодетектором (далее ОП - объекты поиска), в первую очередь относятся:

·  огнестрельное оружие;

·  ручные гранаты;

·  ножи.

Функциональное назначение металлодетекторов в общем случае довольно широкое: от поиска цветных металлов массой 1г. До обнаружения предметов из ферромагнитных металлов, значительно превышающих ОП по массе. Задачи, которые решают металлодетекторы в системах защиты и охраны, более узкие и имеют свои особенности, определяющие специфические требования к таким устройствам. К ним относятся:

·  надежное обнаружение ОП;

·  обеспечение селективности по отношению к металлическим предметам, разрешенным к проносу на охраняемый объект;

·  обеспечение помехоустойчивости в условиях работы на охраняемом объекте;

·  обеспечение специальной безопасности.

В настоящее время в России нет государственного стандарта, регламентирующего большую часть из рассмотренных выше требований. [2]

Обнаруженческие характеристики

ОП, рассмотренные выше, имеют размеры, массу, форму, электропроводность, магнитную проницаемость. В металлодетекторе сигнал на выходе приемной антенны зависит как от этих характеристик, так и от расположения ОП относительно антенн. Соответственно и обнаруженческие характеристики металлодетектора должны оцениваться с учетом перечисленных выше факторов. Проведенные исследования позволили разработать ряд тестовых образцов, имеющих обобщенные для ОП конструктивные параметры. Использование таких тестовых образцов или реальных ОП позволяет оценивать вероятность обнаружения их металлодетектором при различной пространственной ориентации ОП в наиболее вероятных местах расположения на человеке. [3, 4]

Характеристический профиль ОП

Сопротивление ОП RТ по отношению в вихревому току IТ обратно пропорционально глубине проникания тока и удельной электрической проводимости вещества ОП. Учитывая выражения для глубины проникания (12.3), можно получить следующее выражение для сопротивления ОП:

RT = k f1/2 c-1/2 p1/2

Где f – частота напряжения, приложенного к измерительной катушке; c – удельная электрическая проводимость вещества ОП; p – магнитная проницаемость ОП мишени и k – константа.

Величина, описываемая этим выражением, имеет максимум при значении частоты, зависящем только от удельной электрической проводимости вещества ОП. Чем больше удельная электрическая проводимость, тем ниже частота при которой достигается этот максимум. Таким образом, проводящее вещество можно идентифицировать по характерному пику, наблюдаемому на определенной частоте. Наличие больше, чем одного пика на этой частотной зависимости свидетельствует о том, что в магнитном поле измерительной катушки присутствуют ОП разных типов. В частности, один из сплавов на основе алюминия имеет характерный пик вблизи частоты 300 Гц.

Таким образом, можно различать ОП из материалов разных типов, изменяя в определенном диапазоне частоту приложенного напряжения. Если имеется ОП, изготовленный из нескольких различных материалов, то, просмотрев диапазон частот, в котором могут находиться пики указанной частотной характеристики для всех этих материалов, можно получить так называемый характеристический профиль, имеющий определенную форму, характерную именно для данной сложной ОП. [5]

Селективные характеристики

Под селективными характеристиками применительно к металлодетекторам рассматривают вероятности пропуска предметов меньших размеров и массы, чем ОП, разрешенных к проносу на охраняемый объект (далее ПЛП - предметы личного пользования), или вероятности ложной тревоги изделия.

Указанные характеристики в металлодетекторе непосредственно связаны с вероятностью обнаружения ОП. Электромагнитное поле по ширине прохода металлодетектора существенно неоднородно. Даже применение специальной конфигурации катушек и специальной обработки сигналов с приемной антенны значительно не улучшает эту неоднородность. Поэтому при проносе одного и того же предмета под одним и тем же ракурсом в непосредственной близости от катушек и в середине прохода указанные сигналы могут отличаться в 2 - 4 раза. Таким образом, сигнал от ОП в середине прохода соизмерим с сигналом от ПЛП, проносимых около катушек. Кроме того, большинство рассматриваемых металлодетекторов имеют плоские антенные системы и обладают достаточной чувствительностью в одном или двух направлениях. Поэтому для обеспечения уверенного обнаружения при любой ориентации таких ОП, как пистолет или нож, имеющих существенно отличающиеся размеры в различных направлениях, требуется высокая чувствительность, снижающий селективные характеристики металлодетектора.

Помехоустойчивость

На металлодетектор, установленный в охраняемом помещении, воздействует целый ряд внешних условий (помех), затрудняющих или делающих невозможным выполнение им своих функций. Помехи подразделяют на магнитные и вызванные наличием вблизи антенн больших масс металла, замкнутых контуров, перемещающихся или неподвижных. Источниками электромагнитных помех чаще всего являются:

·  силовые электросети и их коммутационное оборудование;

·  работающие силовые электрические устройства (электрические двигатели, электрические генераторы, трансформаторы);

·  люминесцентные лампы;

·  мониторы;

·  телевизоры и т. д.

Наличие электромагнитных помех может привести к ложным срабатываниям, которые в некоторых случаях становятся непрерывными и практически не дают возможности использовать металлодетектор. Кроме того, электромагнитные помехи отрицательно влияют на селективность. Это особенно сильно сказывается на низких частотах.

Ложные срабатывания также вызывают находящиеся вблизи металлодетектора конструкции и замкнутые контуры, перемещающиеся по своему функциональному назначению (двери, кабины лифтов и т. п.) или осуществляющие движение вследствие нежесткости конструкций, вибраций.

При неправильной организации прохода через металлодетектор ложные срабатывания могут вызывать перемещающиеся металлические предметы (ручная кладь, зонты и т. п.) у посетителей, находящихся в близи антенн.

Помехоустойчивость металлодетектора определяется его способностью сохранять свои характеристики в условиях воздействия рассмотренных выше помех. Для обеспечения помехоустойчивости металлодетекторов применяют целый ряд, как конструктивных методов, так и организационных мер:

·  специальные схемотехнические решения электронных узлов;

·  специальную обработку сигналов с приемных антенн;

·  удаление металлодетекторов от подвижных металлических предметов;

·  исключение проноса ручной клади через зону, контролируемую металлодетектором, и вблизи от нее.

Для контроля ручной клади могут использоваться рентгеновские установки или металлодетекторы для ручной клади, располагающиеся в непосредственной близости от металлодетектора, предназначенного для досмотра людей. Перечисленные устройства являются источниками дополнительных электромагнитных помех, и для уменьшения их влияния должны предусматриваться меры, рассмотренные выше.

Специальная безопасность

Металлодетекторы генерируют электромагнитное поле, которое при проходе пересекает человек и вблизи которого длительное время находятся работники охраны. Поэтому, кроме выполнения обычных требований по безопасности устройств, имеющих электропитание, они должны обеспечивать:

·  безопасность по отношению к организму человека;

·  допустимый уровень влияния на имплантируемые электрокардиостимуляторы;

·  допустимый уровень влияния на магнитные носители информации;

·  уровень допустимого электромагнитного поля.

Предложения по нормированию требований

Основной характеристикой металлодетектора может служить вероятность обнаружения ОП. Требования к величине этой характеристики могут быть различными в зависимости от необходимой степени защиты объекта [2]:

пониженная с Робн. = 0,95;

нормальная с Робн. = 0,97;

повышенная с Робн. = 0,98;

высокая с Робн. = 0,99.

Предложенные величины выбраны, исходя из необходимости обеспечения достаточного уровня селективности и помехоустойчивости, а также с учетом технической реализуемости этих значений в существующих металлодетекторах. Кроме того, такое разделение позволит сертифицировать все разнообразие российских и импортных изделий и иметь определенный запас для перспективных металлодетекторов.

Важнейшим моментом при оценке Робн. является методика измерений. Для ее создания необходимо:

·  выбрать номенклатуру ОП или их имитаторов с конкретными конструктивными характеристиками;

·  выбрать и обосновать точки измерений в контролируемом проеме металлодетектора;

·  выбрать и обосновать количество измерений, исходя из требуемой доверительной вероятности;

·  разработать и обосновать алгоритмы обработки измерений.

Второй важной характеристикой конкретно устройств досмотра является селективность. Она также в зависимости от значения вероятности обнаружения ПЛП (вероятности ложной тревоги - Рлт.) может оцениваться по четырем группам:

пониженная с Рлт. = 0,05;

нормальная с Рлт. = 0,03;

повышенная с Рлт. = 0,02;

высокая с Рлт. = 0.01.

Подход к методикам измерений Рлт. может быть аналогичен рассмотренному выше.

Предлагаемые для нормирования Робн. Тесно связаны со временем нахождения ОП в зоне, контролируемой металлодетектором. Поэтому нормироваться должна и максимальная скорость проноса объектов, при которой обеспечиваются определенные вероятностные характеристики.

Требования к помехоустойчивости металлодетекторов по отношению к внешним электромагнитным помехам формулируют в разрабатываемом стандарте. Нормирование требований к помехоустойчивости от перемещающихся металлических масс в общем случае невозможно. Требования по безопасности электромагнитного поля металлодетектора по отношению к организму человека определяются: СанПиН 2.2.4/ 2.1.8.055-96 “Электромагнитные излучения радиочастного диапазона”, МСанПиН 001-96 “ Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях”.

В отношении имплантируемых электрокардиостимуляторов ни в России, ни в других странах не установлено нормированных требований к допустимым характеристикам окружающих электромагнитных полей. Поэтому требования по безопасности электромагнитного поля металлодетектора могут быть сформулированы по отношению к определенному (фиксированному) электрокардиостимулятору, например, наиболее чувствительному к рассматриваемому воздействию. В частности, ряд имеющихся на российском рынке импортных металлодетекторов испытан на безопасность по отношению к конкретным моделям электрокардиостимуляторов.

При разработке стандарта необходимо определить требования по безопасности электромагнитного поля металлодектора по отношению к магнитным носителям информации (магнитным ленте, дискам и т. п.), что, скорее всего, важно для металлодетекторов досмотра ручной клади.

Методики измерений по большинству направлений безопасности электромагнитного поля, изучаемого металлодетектором, заключается в проведении замеров обычными измерительными приборами уровней напряженности поля в определенных частотных диапазонах и сравнении их с допустимыми нормами.

Общие требования к безопасности металлодетекторов изложены в ГОСТ 12.1.004, ГОСТ 12.1006, ГОСТ 12.2.003, ГОСТ 12.2.004, ГОСТ 12.2.006.

Лекция 11. Классификация ОП

Ниже описаны различные варианты условий взаимодействия измерительной катушки с ОП в зависимости от электрических и магнитных характеристик ОП. [5]

Магнитно-проницаемый ОП с малой удельной электрической проводимостью

1. Ферриты характеризуются сочетанием большой магнитной проницаемости с малой удельной электрической проводимостью.

2. Вследствие малой удельной электрической проводимости феррита наведенные вихревые токи столь малы, что можно пренебречь явлением отражения энергии.

3. Вследствие большой магнитной проницаемости феррита увеличивается магнитный поток, порождаемый заданным током в катушке. Это возрастание отношения магнитного потока к току приводит к увеличению индуктивности измерительной катушки.

4. Когда измерительная катушка приближается к ОП, индуктивность катушки увеличивается, измерительный ток уменьшается, причем изменившийся ток отстает от исходного измерительного тока на все возрастающий фазовый угол. Изменения зависят от размеров ОП и расстояния между измерительной катушкой и ОП.

Проводящий ОП с малой магнитной проницаемостью

1. Неферромагнитные проводники характеризуются сочетанием большой удельной электрической проводимости с малой магнитной проницаемостью.

2. В теле из неферромагнитного проводящего вещества наводятся вихревые токи, которые обуславливают отражение сигнального тока обратно в измерительную катушку. Для заданной измерительной катушки это сигнальный ток всегда опережает исходный измерительный ток.

Индуктивный ОП с малой магнитной проницаемостью

Проволочные катушки из неферромагнитного проводящего вещества характеризуется сочетанием большой индуктивности с малой магнитной проницаемостью.

В катушке - ОП с индуктивностью L и резистивным сопротивлением R наводятся вихревые токи. Для заданной измерительной катушки отраженный сигнал опережает исходный измерительный ток на фазовый угол, определяемый отношением:

ОП – резонансный контур

  Мишень может представлять собой цепи с катушки с индуктивностью L, конденсатора с емкостью C и резистора с сопротивлением R, соединенных последовательно. Ток, текущий в измерительной катушке, наводит напряжение в индуктивном элементе этого контура, в результате чего через все элементы его начинает протекать ток.

2. На резонансной частоте наведенный ток совпадает по фазе с наведенным напряжением, на более низких частотах этот ток отстает от напряжения, а на более высоких частотах он опережает напряжение.

3. Когда измерительная катушка приближается к ОП, изменившийся измерительный ток может либо отставать по фазе от исходного измерительного тока, либо опережать его и может быть больше по амплитуде либо меньше по амплитуде по сравнению с исходным измерительным током, в зависимости от соотношения между частотой приложенного напряжения и резонансной частотой ОП.

Емкостной ОП с малой магнитной проницаемостью

Настроенный контур, работающий при частотах значительно ниже резонансной и содержащий катушки, изготовленные из неферромагнитного вещества, характеризуется сочетанием большого емкостного сопротивления и малой магнитной проницаемости.

ОП с большой магнитной проницаемостью и большой удельной электрической проводимостью

1. Ферромагнитные проводники характеризуются сочетанием большой магнитной проницаемости с большой удельной электрической проводимостью.

2. Наличие пути магнитных силовых линий с большой магнитной проницаемостью обуславливает увеличение индуктивности измерительной катушки.

3. Наведенные вихревые токи приводят к отражению сигнального тока обратно в измерительную катушку.

4. Измерительная катушка, взаимодействующая с ОП, испытывает одновременное влияние большой магнитной проницаемости и явления отражения энергии от вихревых токов.

Геофизические ОП

Очень слабые электрические токи, наводимые в земле можно контролировать при помощи двухкатушечных схем с перекрещивающими полями. Если удельная электрическая проводимость более или менее постоянна, то удается обнаруживать присутствующие в ней аномальные включения с удельной электрической проводимостью, существенно отличающейся от средней удельной электрической проводимости земли. Если система питается от источника с низкой частотой и большой мощностью, то можно обнаруживать скопления каменистых пород, туннели, породы с особым химическим составом, фактически любые области, где происходят явления, обуславливающие значительные отличия удельной электрической проводимости данной области по отношению к окружающей ее среде.

Вследствие того, что магнитное поле земли характеризуется существенными пространственными изменениями, имеющими собственные закономерности, наличие аномальных областей определяется по изменениям удельной электрической проводимости, а не по ее абсолютным значениям, когда измерительный прибор сканирует поверхность земли в соответствии с заданным растром. Пространственная форма изменений удельной электрической проводимости на этом растре выявляет расположение аномальных областей в глубине земли.

Системы с высокочастотным питанием обнаруживают малые по размерам, но отличающиеся по физическим свойствам аномальные области у поверхности земли. Эти методы положены в основу конструкций некоторых миноискателей для немагнитных мин. Однако, при высоких частотах наряду с изменением магнитной проницаемости и отраженной энергии следует учитывать и изменения диэлектрической проницаемости.

Лекция 12. Обзор принципов действия современных металлодетекторов

Метод BFO (Beat Frequency Oscillation).

Принцип работы данных детекторов основан на сравнении разности частот между образцовым и поисковым LC генератором.  Измеряемым параметром является частота  LC-генератора, включающего катушку поисковой головки.  В зависимости от того, объект из какого металла (черный/цветной) находится возле поисковой головки - частота поискового контура понижается или, соответственно, повышается. Частота сравнивается с эталонной частотой опорного генератора и полученная разностная частота биений выводится на звуковую (визуальную) индикацию. В наиболее простых детекторах эта функция не реализована. Схемотехника приборов достаточна проста, катушка не требует прецизионного исполнения. Рабочая частотакГц. К недостаткам приборов, реализованных по принципу  BFO можно отнести невысокую чувствительность, низкую температурную стабильность, невозможность отройки от минерализированного грунта. Метод BFO применялся в серийных иностранных приборах в 60-70 годы. В настоящее время этот метод популярен у радиолюбителей и встречается в недорогих приборах российских производителей

PI-метод

В приборах этого типа катушка поисковой головки не является частью колебательного контура. В нее от запускающего генератора подается импульсный сигнал. Анализируемым параметром является время окончания переходного процесса (положение заднего фронта импульса напряжения). К конструкции катушки не предъявляется особых требований. Отличительными чертами этого метода являются: низкая рабочая частота следования импульсов (50-400Гц), большое потребление энергии, нечувствительность к грунту, не очень хорошее распознавание металлов, приборы не требуют периодической подстройки. Этот метод часто используется в подводных приборах для ослабления влияния воды.

Метод IB (Induction Balance) или VLF (Very Low Frequency)

Этот метод основан на анализе амплитуды в приемной катушке поисковой головки и фазового сдвига между сигналом в передающей и приемной катушке. При отсутствии вблизи поисковой головки металлических объектов амплитуда сигнала в приемной катушке минимальна, фазовый сдвиг, в зависимости от конструкции прибора 0-90 градусов. При появлении вблизи поисковой головки металлического объекта амплитуда сигнала в приемной катушке увеличивается, а фазовый сдвиг изменяется в зависимости от проводимости металла (черный, цветной). Данный метод позволяет производить выборочную дискриминацию металлов, отстройку от грунта и поиск пустот. Требует прецизионного изготовления и настройки поисковой головки. По этому принципу построено большинство приборов промышленного изготовления.

Все рассмотренные методы с использованием раздельных каналов передача/прием с присущими им недостатками: усложнением, низкой помехоустойчивостью, вследствие работы в области низких частот.

Ни в одном из методов не рассматривается возможность реализации металлодетектора в области радиочастот, последнее позволяет совместить каналы приема/передачи, уменьшить вес и габариты, повысить чувствительность, помехоустойчивость.

Лекция 13. Сравнительный анализ методик расчета параметров индукционного датчика (индуктивности, дальности обнаружения) с экспериментальными данными

На данный момент времени автором впервые рассчитаны параметры индукционного датчика при его взаимодействии с металлическим объектом поиска в УКВ диапазоне (десятки МГц). Расчеты проводились по 2 методикам, предложенным в различных источниках, и сравнивались с экспериментальными данными.

Сущность метода и описание простейшей модели взаимодействия индукционного датчика с проводящим объектом поиска в воздушной среде. Конструктивно индуктивный датчик представляет собой кольцевую одновитковую экранированную рамочную антенну (рамку), являющуюся одновременно индуктивностью колебательного контура автогенератора. Объект поиска (далее ОП) обладает электропроводностью и магнитной проницаемостью. При появлении ОП вблизи рамки, по которой протекает переменный электрический ток, создается переменное электромагнитное поле, возбуждающее вихревые токи. В результате возникновения вихревых токов происходит изменение индуктивности измерительного датчика. Кроме того, будет изменяться активное сопротивление, которым обладает ОП. Активной компонентной вносимого сопротивления в датчик в первом приближении можно пренебречь, то есть ОП – не имеет потери. Система «рамка – ОП» (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Взаимодействие объекта поиска с индукционным датчиком при их соосном расположении

Рис. 3.2. Взаимодействие объекта поиска с индукционным датчиком при их расположении под углом χ

Напряженность поля изменяется в зависимости от относительного расположения ОП и датчика (рис. 3.2). Чем больше угол χ между ОП и датчиком, тем больше расстояние h и тем меньше изменяется рабочая частота датчика, соответственно уменьшается вероятность обнаружения ОП. Напряженность поля максимальна, когда ОП и датчик расположены соосно.

Расчет параметров индукционного датчика по методу

«взаимной индуктивности» [48]

Определим выражение для взаимной индуктивности двух коаксиальных круговых контуров. Пусть ток в контуре 2 равен i2, тогда поток взаимной индукции, сцепляющейся с контуром 1, равен:

, (3.1)

где - векторный потенциал магнитного поля тока i2, а - элемент длины контура . Векторный потенциал можно найти по формуле:

, (3.2)

где - элемент длины контура , r – расстояние от до точки наблюдения (в данном случае – до элемента длины ). Подставив выражение (3.2) в (3.1) и разделив на i2, можно вывести формулу для взаимной индуктивности двух контуров:

, (3.3)

где - угол между и .

Проинтегрируем выражение (3.3) по l1, считая положение элемента длины фиксированным. Подлежащий вычислению интеграл имеет вид:

, где , а R1 и R2 - радиусы контуров, h – расстояния между контурами. Вводится подстановка: , и предполагается что:

тогда ,

где , а .

Интегралы К и N называются полными эллиптическими интегралами первого и второго рода, являются функциями величины b, называемой их модулем. Выражение для J не зависит от положения элемента длины и поэтому интегрирование по l2 равносильно умножению на , после преобразований получается окончательное выражение для расчета взаимной индуктивности двух контуров:

- формула Нэймана (3.4)

Для последующих расчетов приняты условия: диаметр рамки равен 0,12 м (диаметр рамки равен размеру ОП), ОП параллелен рамке. Индуктивность катушки датчика вычисляется по формуле:

, (3.5)

где R1 – радиус рамки, a – радиус поперечного сечения принят м (исходя из получения максимальной добротности).

.

В магнитных веществах действует магнитная проницаемость, которая увеличивает индуктивность, поэтому относительное приращение индуктивности становится равным

. (3.6)

В проводниках действуют вихревые токи, они уменьшают величину индуктивности:

. (3.7)

Рамка входит в состав колебательного контура автогенератора, паразитную емкость которого принимаем 15 пФ (складывается из паразитной емкости транзистора, емкости монтажа и емкости рамки). Расчетная формула для определения рабочей частоты автогенератора:

= 86 МГц (3.8)

При данной частоте и заданном расстоянии между ОП и датчиком изменением фазовой характеристики поля можно пренебречь. Приращение частоты, обусловленное взаимодействием рамки с ОП, получается путем взятия производной от выражения (3.8):

. (3.9)

Подставляя (3.6) или (3.7) в (3.9) можно получить выражение, определяющее взаимодействие индукционного датчика с металлическим объектом:

Взаимная индуктивность М определяется расстоянием между ОП и датчиком. Максимальная дальность достижима в случае, когда: , что на практике неосуществимо. Также чем больше размер ОП, тем больше значение взаимной индуктивности и приращение частоты, соответственно повышается вероятность обнаружения ОП.

Использование УКВ диапазона в данном случае повысит значение Δf и соответственно чувствительность индукционного датчика.

Расчет параметров индукционного датчика по методу

«электромагнитного поля» [49]

Модель взаимодействия индукционного датчика с металлическим ОП представлена на рис. 3.1. Принятые автором допущения:

1.  Активной компонентой вносимого сопротивления пренебрегаем.

2.  Фронт волны, создаваемой датчиком, плоский.

3.  Размеры ОП одного порядка с размерами датчика.

4.  Амплитуда тока, протекающего по рамке – величина постоянная.

5.  Расстояние между ОП и датчиком меньше, чем l/4 (l - длина волны).

Рассмотрим случай, когда электромагнитное поле создаваемое индукционным датчиком направлено только вдоль оси Х, тогда магнитную составляющую напряженности данного поля на расстоянии h от датчика можно рассчитать по формуле:

, (3.10)

где - магнитный момент рамки; I – ток через рамку; k – постоянная распространения электромагнитных волн в воздухе:

, (3.11)

где f – рабочая частота датчика; с – скорость света м/с.

ОП при взаимодействии с датчиком сам становится источником индуцированного электромагнитного поля, которое может быть уподоблено полю, создаваемому одновитковой рамкой, с магнитным моментом, величина которого определяется по формуле [50]:

. (3.12)

Зная m, можно определить напряженность поля в месте положения датчика:

, (3.13)

Индуктивность датчика является величиной постоянной и рассчитывается по (3.5) при тех же параметрах датчика.

Первичное поле создаваемое в датчике [51, 52] при Iмакс=10 мА:

А/м. (3.14)

При принятых допущениях и выбранных параметрах рамка обеспечивает . В результате взаимодействия поля, создаваемого датчиком, с полем, индуцированным ОП, датчик изменяет свою начальную напряженность поля. Это эквивалентно изменению индуктивности, то есть происходит относительное изменение индуктивности при взаимодействии с ОП, что приводит к изменению частоты, по которому можно определить расстояние до объекта.

, где принимается, что

Модель взаимодействия индукционного датчика с металлическим ОП:

Для выбора оптимальной методики расчета параметров индукционного датчика целесообразно сравнить теоретические расчеты с практическими данными. Для этого был изготовлен индукционный датчик с рабочей частотой 86 МГц, схема которого представлена на рис. 3.3, фотография на рис. 3.4.

Рис. 3.3. Принципиальная схема индукционного датчика (рабочая частота 86 МГц)

Рис. 3.4. Фотография индукционного датчика

+++Обзор современных металлодетекторов отдельным файлом