RS61671B1 - Postupci za formiranje podataka o 3d slici i povezani uređaji - Google Patents

Description

Opis

OBLAST PRONALASKA

[0001] Predmetni pronalazak se odnosi na postupak za formiranje podataka o 3D slici koji predstavljaju podzemnu infrastrukturu smeštenu u blizini vozila u pokretu, i pripadajuće uređaje.

STANJE TEHNIKE

[0002] Pokazalo se da je radar efikasan alat za sprovođenje ispitivanja podzemnih karakteristika i za procenu stanja transportne infrastrukture.

[0003] Slika 1 prikazuje primer radarskog uređaja za pregled balasta 6 i podgrade 7 šinskih pruga napravljenog u skladu sa konvencionalnim tehnikama i gotovim komponentama. Radarski uređaj sa Slike 1 uključuje niz od tri antene povezane vazduhom 1 pričvršćene nosačem 2 na prednjem delu šinskog vozila 3. Vizura antene 1 poravnata je sa vertikalnom osom, tako da upadni ugao elektromagnetnog talasa na vazduhzemlja interfejsu u odnosu na vertikalnu osu iznosi nula. Svaka antena emituje RF talasni oblik koji se sastoji od skupova kratkotrajnih ultra širokopojasnih („UWB“) impulsa (obično Ricker talasna transformacija) na centralnoj frekvenciji određenoj specifikacijama antene. Izbor antene zavisi od zahteva ispitivanja, na primer: 300-500 MHz se obično koristi za otkrivanje karakteristika velikih razmera kao što su cevi, propusti i praznine na dubinama od 0-3 metra; 1 GHz je efikasan u otkrivanju malih predmeta < 1 metar od površine; a 2 GHz se koristi za određivanje ozbiljnosti zagađivanja balasta. Velike razlike u površinskoj dielektričnoj propusnosti koje se javljaju na malim udaljenostima uzrokuju jake refleksije koje obrađuje i beleži upravljačka jedinica u vozilu. Povratno rasejani RF energetski signali koji proističu iz svakog emitovanog UWB impulsa u skup se nekoherentno sabiraju kako bi se povećao odnos signala i šuma (ova tehnika se naziva slaganje). Dobijeni skup podataka prikazuje amplitudu odbijenog RF energetskog signala u funkciji dvosmernog vremena putovanja, poznatog kao trag ili A-skeniranje. Kako se šinsko vozilo kreće duž koloseka, tragovi se prikupljaju i sastavljaju kako bi se stvorili podaci o 2D slici koji predstavljaju uzdužni poprečni presek (ili B-skeniranje) podzemnih karakteristika. Da bi ovaj poprečni presek tačno predstavio podzemne karakteristike, mora se precizno odrediti udaljenost koju je šinsko vozilo 3 prešlo od referentne tačke. Tahometar ili laserski Doppler enkoder 4 mogu pružiti upravljačkoj jedinici podatke linearnog položaja za georeferenciranje pojedinačnih tragova. Pored toga, GPS sistem 5 može se koristiti za mapiranje geografskih karakteristika od interesa za globalni koordinatni sistem, npr. koristeći geografsku širinu/dužinu u globalnom koordinatnom sistemu WGS84.

[0004] Predmetni pronalazači primetili su da trenutni radarski uređaji za podzemno ispitivanje i ispitivanje infrastrukture, kao što je uređaj prikazan na Slici 1, imaju inherentna ograničenja. Na primer, s obzirom da antenski niz ne može da se proteže bočno izvan vozila, a antene su vertikalno fiksirane, područje ispitivanja ograničeno je na balast 6 i podgradu 7 direktno ispod vozila. Problemi koji se pojave pri većim pomacima od središnje linije koloseka ostaće nedetektovani. Primer za to je ramenski balast 8 koji je postao zagađen. Za tipičnu železnicu, balast 6 se obično sastoji od drobljenog kamenja koje se spaja kako bi prugu držao stacionarnu naspram primenjenih opterećenja, raspodelio ta opterećenja kroz podgradu i olakšao drenažu. Podgrada 7 je obično napravljena od kompresovane tla kako bi se pružila stabilna potpora balastu 6. Otprilike trideset procenata njene zapremine čine vazdušne praznine, gde je svaka praznina prosečnog prečnika između 11 - 29 mm. Bilo kakve zagađenosti uzrokovane raspadom ili prodorom malih čestica ili vode u praznine mogu ugroziti njihovu sposobnost da se odupru opterećenjima. Ramenski balast 8 posebno je podložan zagađivanju ostacima iz okoline, i to može ometati bočnu drenažu duž celog balasta. Drugi primer je oštećena cev 9 koja stvara prazninu 10 u blizini ramenskog balasta, koja bi potencijalno mogla da se poveća nedetektovanom zapreminom sve dok ne ugrozi integritet koloseka.

[0005] Dalje poteškoće sa sadašnjim radarskim uređajima za podzemno ispitivanje i ispitivanje infrastrukture koje su primetili predmetni pronalazači uključuju detektovanje kvara balasta ispod šina 11, jer šine 11 odražavaju praktično svu upadljivu radiofrekvencijsku energiju. Ovo stvara radarsku senku ispod šina 11 i uzrokuje efekat prstena (vrsta rezonance) koji uzrokuje da se na slici pojave vodoravne trake koje zaklanjaju podzemne karakteristike, usled višestrukih refleksija između šine i antene. Stoga antene moraju biti postavljene tako da smanjuju/minimizuju takve interakcije, i to se obično postiže postavljanjem antena između šina 11, što znači da sistem ne može da utvrdi stanje balasta direktno ispod šina. Ovo takođe negativno utiče na ispitivanje balast-podgrada interfejsa, jer se najveće deformacije uglavnom dešavaju ispod šina. Balastni materijal se potiskuje u podgradu usled čega nastaju džepovi balasta 12 koji mogu prikupljati vodu. Štaviše, s obzirom da se niz sastoji od samo tri antene, on pati od loše bočne prostorne gustine uzorkovanja (merenja na samo tri bočne tačke) i nije sposoban da sa bilo kojim stepenom tačnosti utvrdi bočnu geometriju infrastrukture smeštene ispod antena. Stvaranje podataka o 3D slici pomoću radarskog uređaja za podzemno ispitivanje i ispitivanje infrastrukture sa Slike 1 zahteva interpolaciju između susednih poprečnih preseka što stvara nedostatke/artefakte usled nedostatka bočne gustine uzorkovanja (veća bočna gustina uzorkovanja bila bi neophodna kako bi se sprečila izobličenja slike usled prostornog alijasinga). Kao rezultat, analiza podataka za mnoge postojeće radarske uređaje za podzemno ispitivanje i ispitivanje infrastrukture ograničena je na ispitivanje pojedinačnih preseka u izolaciji kako bi se identifikovale anomalije.

[0006] US2007/0132630A1 obelodanjuje FM-CW radarski sistem koji se sastoji od frekvencijski modulisanog digitalnog generatora kontinualnog talasa koji proizvodi i fazne (I) i kvadraturno-fazne (Q) izlaze na ortogonalno orijentisane antene predajnika. US2014/0285375A1 obelodanjuje radarski uređaj sa sintetičkim otvorom, i postupci pružaju kompaktan i upotrebljiv sistem za skeniranje iza i ispod površina.

[0007] Predmetni pronalazak je osmišljen u svetlu gore navedenih razmatranja.

SAŽETAK PRONALASKA

[0008] Prvi aspekt pronalaska pruža postupak prema patentnom zahtevu 1.

[0009] Na ovaj način, podaci o 3D slici koji pružaju informacije o podzemnoj infrastrukturi smeštenoj oko (ispod, iznad i sa strane) vozila u pokretu mogu se dobiti pomoću samo jednog preseka. Štaviše, merenja se mogu dobiti u difuznom rasponu položaja bočno od smera kretanja vozila (dok je, na primer, sistem sa Slike 1 koji je gore razmatran, dobio merenja samo u tri različita položaja bočno od smera kretanja vozila).

[0010] Za potrebe predmetnog obelodanjenja, usmerena antena može se razumeti kao antena koja emituje i/ili prima više snage u jednom ili više određenih smerova, u poređenju sa drugim smerovima. Primarna osa zračenja usmerene antene može se razumeti kao osa duž koje usmerena antena zrači maksimalnu snagu. Ovde se izraz „vizura“ može koristiti naizmenično sa „primarnom osom zračenja“ u vezi sa usmerenom antenom.

[0011] Za potrebe predmetnog obelodanjenja, RF energija se može shvatiti kao elektromagnetno zračenje sa frekvencijom u rasponu od 300 GHz do 3 kHz.

[0012] Za potrebe predmetnog obelodanjenja, „presek“ se odnosi na putanju duž koje vizura usmerene antene preseca infrastrukturu koja se nalazi u blizini vozila u pokretu (npr. tlo, zidovi tunela).

[0013] Poželjno je da je usmerena antena postavljena na vozilo u pokretu tako da je ravan normalna na osu rotacije antene barem delimično okrenuta u smeru kretanja vozila (u primeru prikazanom u nastavku, to će biti za θ < 90 stepeni).

[0014] Poželjno je da je usmerena antena postavljena na vozilo u pokretu (npr. kako je opisano u vezi sa drugim aspektom pronalaska, u nastavku) tako da ugao θ između ose rotacije antene i smera kretanja vozila može da se menja, npr. između 0 i π/2 (90 stepeni).

[0015] Postupak uključuje menjanje ugla θ između ose rotacije antene i smera kretanja vozila, npr. korišćenjem aktuatora (npr. kako je opisano u vezi sa drugim aspektom pronalaska, u nastavku).

[0016] Postupak uključuje promenu ugla θ između ose rotacije antene i smera kretanja vozila do vrednosti koja nije nula, tako da primarna osa zračenja usmerene antene ima komponentu kretanja koja je suprotna smeru kretanja vozila dok je osa primarnog zračenja usmerene antene usmerena ispod vozila u pokretu. Na taj način, prostorna gustina uzorkovanja ispod vozila u pokretu je veća od gustine uzorkovanja iznad vozila, što je posebno korisno za ispitivanje podzemne infrastrukture koja se nalazi ispod vozila u pokretu.

[0017] Kao što je detaljnije razmotreno u nastavku, promenljivi θ može promeniti bočni raspon područja iz kog se prikupljaju radarski podaci, kao i gustinu uzorkovanja dobijenih merenja. Prema tome, mogućnost menjanja θ može biti korisna kako bi se omogućilo prilagođavanje merenja infrastrukturi od interesa.

[0018] Poželjno je da je usmerena antena postavljena na vozilo u pokretu (npr. kako je opisano u vezi sa drugim aspektom pronalaska, u nastavku) tako da se ugao φ između primarne ose zračenja usmerene antene i ravni normalne na osu rotacije antene može se menjati.

[0019] Poželjno, postupak uključuje menjanje ugla φ između primarne ose zračenja usmerene antene i ravni normalne na osu rotacije antene, npr. korišćenjem aktuatora (npr. kako je opisano u vezi sa drugim aspektom pronalaska, u nastavku).

[0020] Kao što je detaljnije razmotreno u nastavku, kada je θ blizu π/2, vozilo na koje je uređaj postavljen može da zakloni vizuru usmerene antene. U ovim slučajevima, promenom φ na vrednost koja nije nula, primarna osa zračenja usmerene antene može se pomeriti pored vozila tako da se smanji količina za koju vozilo seče vizuru.

[0021] U nekim slučajevima, tipično kada je θ blizu nule, φ poželjno može biti nula.

[0022] Poželjno je da RF energija koju emituje usmerena antena tokom svakog ciklusa prikupljanja uključuje ultra širokopojasni („UWB“) impuls.

[0023] Svaki UWB impuls poželjno ima propusni opseg koji premašuje manju vrednost od 500 MHz ili 20% frakcionog propusnog opsega.

[0024] Svaki UWB impuls poželjno ima dužinu impulsa od 2 ns ili manje. Za potrebe predmetnog obelodanjenja, frakcioni propusni opseg može se definisati kao propusni opseg antene podeljen njenom centralnom frekvencijom.

[0025] Svaki UWB impuls koji emituje usmerena antena može imati centralnu frekvenciju koja se bira u zavisnosti od potreba ispitivanja. Ova centralna frekvencija može biti u rasponu od 300 MHz do 2,5 GHz, što je pogodno za većinu primena transportne infrastrukture.

[0026] Naravno, mogu se koristiti i drugi oblici RF energije osim UWB impulsa, što može da proceni stručnjak.

[0027] Usmerena antena može da sadrži jednu ili više komponenti antene. Na primer, usmerena antena može da sadrži antenu sa predajničkim rogom (konfigurisanu da emituje RF energiju) i antenu sa prijemničkim rogom (konfigurisanu da prima reflektovanu RF energiju). Međutim, takođe je moguće da usmerena antena sadrži jednu komponentu antene konfigurisanu da emituje RF energiju i prima reflektovanu RF energiju.

[0028] Svaka antenska komponenta je poželjno nedisperzivna antenska komponenta, kao što je TEM rog ili dizolna antena sa otpornim opterećenjem, jer se one mogu koristiti sa impulsnom radarskom tehnikom. Međutim, ako je korišćena neimpulsna radarska tehnika, mogu se koristiti i druge vrste antenskih komponenti.

[0029] Podaci o ugaonom položaju mogu se prikupljati, na primer, pomoću optičkog enkodera.

[0030] Podaci o translacionom položaju mogu se prikupljati, na primer, pomoću tahometra, laserskog dopler enkodera ili GPS uređaja.

[0031] Postupak može da uključuje upotrebu GPS uređaja za prikupljanje podataka o položaju koji odražavaju položaj usmerene antene u globalnom koordinatnom sistemu, npr. WGS84.

[0032] Iako bi se podaci o položaju koje je prikupio GPS uređaj mogli koristiti kao podaci o translacionom položaju, to možda ne bi bilo poželjno ako bi se precizniji podaci o translacionom položaju mogli prikupiti drugim sredstvima (npr. tahometrom ili laserskim doplerom).

[0033] Postupak može uključivati upotrebu podataka o položaju koje je prikupio GPS uređaj za mapiranje podataka o 3D slici u globalni koordinatni sistem, npr. WGS84. Ovo može biti korisno ako GPS uređaj ne prikuplja translacione podatke o položaju (npr. jer GPS uređaj ne pruža željeni nivo tačnosti).

[0034] Postupak može uključivati čuvanje radarskih podataka, podataka o ugaonom položaju i podataka o translacionom položaju prikupljenih tokom svakog od više ciklusa prikupljanja u memorijskom uređaju (npr. čvrsti disk). Memorijski uređaj se može nalaziti u vozilu. U ovom slučaju, obrada prikupljenih radarskih podataka može se izvršiti van vozila, npr. korišćenjem radarskih podataka, podataka o ugaonom položaju i podataka o translacionom položaju uskladištenih u memorijskom uređaju.

[0035] Međutim, obradu prikupljenih radarskih podataka potencijalno može izvršiti procesorska jedinica na vozilu.

[0036] Obrada prikupljenih radarskih podataka, podataka o ugaonom položaju i podataka o translacionom položaju za formiranje 3D slike može uključivati sabiranje prikupljene RF energije koherentno ili nekoherentno, koristeći tehnike poznate u tehnici. Nekoherentno sabiranje je generalno lakše i jeftinije, ali koherentno sabiranje će generalno proizvesti 3D sliku višeg kvaliteta.

[0037] Postupak se može izvesti pomoću više usmerenih antena, jer to može omogućiti dobijanje dodatnih podataka o 3D slici.

[0038] Na primer, postupak može dodatno da uključuje:

rotiranje naredne usmerene antene, postavljene na vozilo u pokretu, oko ose rotacije dodatne antene;

izvođenje, koristeći dodatnu usmerenu antenu dok se rotira oko ose rotacije dodatne antene, mnoštvo dodatnih ciklusa prikupljanja u kojima dodatna usmerena antena emituje RF energiju i prima reflektovanu RF energiju;

prikupljanje, tokom svakog od mnoštva dodatnih ciklusa prikupljanja koje izvodi dodatna usmerena antena:

(i) dodatnih radarskih podataka koji predstavljaju reflektovanu RF energiju koju prima dodatna usmerena antena tokom dodatnog ciklusa prikupljanja;

(ii) dodatnih podataka o ugaonom položaju koji predstavljaju ugaoni položaj dodatne usmerene antene oko ose rotacije dodatne antene tokom dodatnog ciklusa prikupljanja; i (iii) dodatnih podataka o translacionom položaju koji se odnose na translacioni položaj dodatne usmerene antene tokom dodatnog ciklusa prikupljanja;

obradu dodatnih radarskih podataka, dodatnih podataka o ugaonom položaju i dodatnih podataka o translacionom položaju prikupljenih tokom svakog od dodatnog mnoštva ciklusa prikupljanja kako bi se formirali dodatni podaci o 3D slici koji predstavljaju podzemnu infrastrukturu smeštenu u blizini vozila u pokretu.

[0039] Bilo koji postupak, korak ili karakteristika koji su ovde opisani u vezi sa usmerenom antenom mogu se primeniti na osu dodatne usmerene antene.

[0040] Osa rotacije dodatne antene može biti ista kao osa rotacije antene, npr. kao što bi mogao biti slučaj ako su usmerena antena i dodatna usmerena antena postavljene u antenski sklop rotiran oko ose rotacije antene.

[0041] Dodatni ciklusi prikupljanja mogu se preplitati ili izvoditi istovremeno sa ciklusima prikupljanja. Izvođenje dodatnih ciklusa prikupljanja istovremeno sa ciklusima prikupljanja može biti korisno ako postoji odgovarajuća izolacija između usmerene antene i dodatne usmerene antene, što se može postići, na primer, korišćenjem različitih frekvencijskih opsega ili osiguravanjem da fizička geometrija minimizuje smetnje. Preplitanje ciklusa prikupljanja i dodatnih ciklusa prikupljanja (tj. izvođenje ciklusa prikupljanja i dodatnih ciklusa prikupljanja, alternativno, u različito vreme) može biti korisno za praćenje promena podzemnih uslova tokom vremena i/ili ako postoji ograničena izolacija između usmerene antene i dodatne usmerene antene.

[0042] Usmerena antena i dodatna usmerena antena mogu biti konfigurisane da emituju RF energije koje imaju različite frekvencije.

[0043] Na primer, usmerena antena i dodatna usmerena antena mogu biti konfigurisane da emituju UWB impulse različitih centralnih frekvencija. Na primer, usmerena antena može biti konfigurisana da emituje UWB impulse koji imaju centralnu frekvenciju u rasponu 250-750MHz (npr. 500 MHz) (npr. što može biti korisno za otkrivanje većih karakteristika u primenama železničke infrastrukture), dok dodatna usmerena antena može biti konfigurisana da emituje UWB impulse koji imaju centralnu frekvenciju u rasponu 1,5 GHz-2,5 GHz (npr. 2 GHz) (što može biti korisno za ispitivanje balasta u primenama železničke infrastrukture).

[0044] Podaci o 3D slici mogu se koristiti za formiranje odvojene slike od dodatnih podataka o 3D slici. Alternativno, podaci o 3D slici i dodatni podaci o 3D slici mogu se koristiti za formiranje slike u kojoj su dodatni podaci o 3D slici postavljeni na podatke o 3D slici.

[0045] Vozilo može biti kopneno vozilo, tj. vozilo konfigurisano za kretanje dok je u dodiru sa tlom.

[0046] Vozilo može biti šinsko vozilo, npr. voz. Međutim, vozilo bi takođe moglo biti drumsko vozilo, vodeno vozilo (npr. čamac) ili vazdušno vozilo (npr. avion, helikopter, vazdušni brod, bespilotna letelica).

[0047] Usmerena antena (i jedna ili više drugih komponenti koje se koriste u postupku) mogu biti uključene u uređaj za prikupljanje podataka za upotrebu pri formiranju 3D slike koja predstavlja podzemnu infrastrukturu koja se nalazi u blizini vozila u pokretu, npr. kako je opisano u vezi sa drugim aspektom pronalaska, u nastavku.

[0048] Drugi aspekt pronalaska pruža uređaj za prikupljanje podataka za upotrebu pri formiranju 3D slike koja predstavlja podzemnu infrastrukturu koja se nalazi u blizini vozila u pokretu prema patentnom zahtevu 11.

[0049] Radarski podaci, podaci o ugaonom položaju i podaci o translacionom položaju prikupljeni tokom svakog od mnoštva ciklusa prikupljanja mogu se naknadno obrađivati kako bi se formirali podaci o 3D slici koji predstavljaju podzemnu infrastrukturu koja se nalazi u blizini vozila u pokretu, npr. prema gore opisanom postupku u vezi sa prvim aspektom pronalaska.

[0050] Uređaj može biti konfigurisan da primenjuje ili ima sredstva za sprovođenje bilo kog koraka postupka opisanog u vezi sa prvim aspektom pronalaska, npr. o čemu će sada biti reči.

[0051] Uređaj može da sadrži procesorsku jedinicu (npr. računar) konfigurisanu (npr. programiranu) za obradu podataka o ugaonom položaju i podataka o translacionom položaju prikupljenih tokom svakog od više ciklusa prikupljanja kako bi se formirali podaci o 3D slici koji predstavljaju podzemnu infrastrukturu koja se nalazi blizina vozila u pokretu, npr prema gore opisanom postupku u vezi sa prvim aspektom pronalaska.

[0052] Jedinica za obradu može se nalaziti na vozilu ili van njega (ako se jedinica za obradu nalazi izvan vozila,

[0053] Uređaj može da sadrži krak koji se može rotirati oko osovine/zgloba, gde je antena postavljena na krak tako da ugao θ između ose rotacije antene i smera kretanja vozila na koje je postavljena bazna jedinica može da se menja rotacijom kraka oko te osovine/zgloba. Uređaj može da sadrži aktuator (npr. linearni aktuator) konfigurisan da rotira krak oko osovine/zgloba tako da menja ugao θ.

[0054] Usmerena antena može se montirati na baznu jedinicu preko dodatne osovine/zgloba tako da ugao φ između primarne ose zračenja usmerene antene i ravni normalne na rotaciju antene može da se menja, npr. rotiranjem antenskog sklopa oko te osovine/zgloba. Uređaj može da sadrži aktuator (npr. linearni aktuator) konfigurisan da rotira antenski sklop oko osovine/zgloba tako da menja ugao φ.

[0055] Usmerena antena može da sadrži jednu ili više komponenti antene.

[0056] Uređaj može da sadrži uređaj konfigurisan za prikupljanje podataka o ugaonom položaju, npr. optički enkoder.

[0057] Uređaj može da sadrži uređaj konfigurisan za prikupljanje podataka o translacionom položaju, npr. tahometar, laserski dopler enkoder ili GPS uređaj.

[0058] Uređaj može da sadrži GPS uređaj konfigurisan za prikupljanje podataka o položaju koji odražavaju položaj usmerene antene u globalnom koordinatnom sistemu.

[0059] Uređaj može da sadrži memorijski uređaj konfigurisan za čuvanje radarskih podataka, podataka o ugaonom položaju i podataka o translacionom položaju prikupljenih tokom svakog od više ciklusa prikupljanja.

[0060] Uređaj može da sadrži dodatnu usmerenu antenu, koja može biti konfigurisana da sprovede ili ima sredstva za sprovođenje bilo kog koraka postupka opisanog u vezi sa prvim aspektom pronalaska.

[0061] Na primer, dodatna usmerena antena može biti rotirajuće montirana na baznu jedinicu kako bi se omogućilo rotiranje dodatne usmerene antene oko ose rotacije dodatne antene;

gde uređaj uključuje dodatnu pogonsku jedinicu konfigurisanu da okreće dodatnu usmerenu antenu oko ose rotacije dodatne antene;

gde je uređaj konfigurisan da izvodi, koristeći dodatnu usmerenu antenu dok se rotira oko ose rotacije dodatne antene, i dok se vozilo na koje je postavljena bazna jedinica kreće, mnoštvo dodatnih ciklusa prikupljanja u kojima dodatna usmerena antena emituje RF energiju i prikuplja reflektovanu RF energiju;

gde je uređaj konfigurisan da prikuplja, tokom svakog od mnoštva dodatnih ciklusa prikupljanja koje izvodi dodatna usmerena antena:

(i) dodatne radarske podatke koji predstavljaju reflektovanu RF energiju koju prima dodatna usmerena antena tokom dodatnog ciklusa prikupljanja;

(ii) dodatne podatke o ugaonom položaju koji predstavljaju ugaoni položaj dodatne usmerene antene oko ose rotacije dodatne antene tokom dodatnog ciklusa prikupljanja; i (iii) dodatne podatke o translacionom položaju koji se odnose na translacioni položaj dodatne usmerene antene tokom dodatnog ciklusa prikupljanja.

[0062] Osa rotacije dodatne antene može biti ista kao osa rotacije antene, i dodatna pogonska jedinica može biti ista kao pogonska jedinica, npr. kao što bi moglo biti u slučaju da su usmerena antena i dodatna usmerena antena postavljene u antenski sklop koji je pogonska jedinica rotirala oko ose rotacije antene.

[0063] Bazna jedinica može biti konfigurisana tako da se montira na vozilo na zemlji, npr. šinsko vozilo.

[0064] Treći aspekt pronalaska pruža računarski čitljiv medijum prema patentnom zahtevu 14.

KRATAK OPIS CRTEŽA

[0065] Primeri ovih predloga razmotreni su u nastavku, pozivajući se na prateće crteže u kojima:

Slika 1 prikazuje primer radarskog uređaja za pregled balasta i podgrade železničkog koloseka napravljenog u skladu sa konvencionalnim tehnikama i gotovim komponentama.

Slika 2 ilustruje kinematiku primera uređaja za prikupljanje podataka za upotrebu pri formiranju 3D slike koja predstavlja podzemnu infrastrukturu koja se nalazi u blizini vozila u pokretu.

Slika 3(a)-(d) ilustruje krivu prostora koja opisuje kretanje vizure u odnosu na nepokretni koordinatni sistem O za primer uređaja sa Slike 2 za θ koji ima vrednosti (a) 0 stepeni, (b) 45 stepeni, (c) 60 stepeni i (d) 75 stepeni.

Slika 4(a) i Slika 4(b) detaljnije prikazuju primera uređaja sa Slike 2.

Slika 5 detaljnije prikazuje antenski sklop iz primera uređaja sa Slike 2.

DETALJAN OPIS

[0066] Generalno, naredna diskusija opisuje primere naših predloga na koje se može gledati kao da pružaju radarski uređaj za podzemno ispitivanje sa vremenskim promenljivim uglom koji može da generiše trodimenzionalne volumetrijske slike. U ovim primerima, antenski sklop je mehanički rotiran omogućavajući prikupljanje podataka od punog trista šezdeset stepeni luka oko ose rotacije. Upadni ugao dolaznog zračenja se stoga menja tokom perioda rotacije. Ugao θ između ose rotacije antene i smera kretanja vozila na koje je postavljena usmerena antena može se menjati kako bi se postigle veće gustine uzorkovanja unutar područja koja se nalaze bočno, što omogućava brže sprovođenje ispitivanja u područjima u kojima se ne traži potpuna ugaona pokrivenost.

[0067] Značajna prednost primera opisanih u nastavku je sposobnost stvaranja trodimenzionalnih volumetrijskih slika koristeći samo jedan presek, dok se prikupljaju radarska merenja dobijena u difuznom rasponu položaja bočno od smera kretanja vozila na koji je usmerena antena montirana.

[0068] Kako bi se stvorile takve slike sa postojećim sistemima, potrebna je upotreba raspoređenih nizova antena (dva ili više redova antena, gde su antene u svakom redu odmaknute od antena u drugim redovima), ili korišćenje jedne antene za dobijanje više susednih preseka (dobijanjem merenja sa jednom antenom u prvom fiksnom položaju, i zatim pomeranje pojedinačne antene u novi fiksni položaj kako bi se dobila dalja merenja i tako dalje, što bi se moglo videti kao zaustavljanje višestrukih preseka u vremenu). Međutim, korišćenje raspoređenih antenskih nizova je skupo i još uvek trpi usled ograničenja raspona skeniranja zbog ograničenja veličine, i upotreba jedne antene za dobijanje više susednih preseka nije izvodivo za transportne primene koje uključuju putne i železničke mreže (gde merenja možda trebati dobiti brzo).

[0069] Povoljno, primeri koji su opisani u nastavku ne ograničavaju da tačke uzorkovanja leže unutar diskretnih vertikalnih ravni, tako da odnos bočne i uzdužne gustine uzorkovanja može biti relativno visok, dok je bočna raspodela uzorka difuznija. Rotacija usmerene antene omogućava joj da detektuje i slika podzemne karakteristike na relativno velikim udaljenostima od preseka, što je korisno za procenu transportne infrastrukture; problemi koji se javljaju izvan područja skeniranja trenutnih sistema (npr. ramenski balast 8, oštećena cev 9 i praznina 10 ilustrovana na Slici 1) mogu se identifikovati i ispraviti ciljanim održavanjem. Za specifične primene na šinama, kosi upadni ugao emitovane RF energije (u odnosu na vertikalnu osu) omogućava veću mogućnost procene balasta ispod šina, jer talasni vektor emitovane RF energije ima horizontalnu komponentu, omogućavajući talasu da se kreće bočno ispod šina (iako još uvek postoji radarska senka izazvana šinama, ova senka je odmaknuta od koloseka). Procena balasta šine direktno ispod koloseka je važna jer se tu često javljaju nedostaci.

[0070] Konačno, primeri razmotreni u nastavku imaju jedinstvenu mogućnost pregleda potpornih zidova i tunela iznad i sa strane vozila u pokretu. Izveštaj od Transportation Research Board of the National Academies in the United States („Mapping Voids, Debonding, Delaminations, Moisture, and Other Defects Behind or Within Tunnel Linings“ objavljen od strane Transportation Research Board, 19. marta 2015) ilustruje, upotrebom fiksne antene, efikasnost vazdušno spojenog radara za prodiranje u tlo („GPR“) za otkrivanje velikih praznina ispunjenih vazduhom i vodom do dubine od 20 cm unutar zidova tunela. Koristeći poznate tehnike, manji defekti koji mogu prouzrokovati raslojavanje betona mogu se lokalizovati pomoću prikazanog uređaja određivanjem površinske dielektrične propusnosti; normalni beton ima glavnu relativnu propusnost između 8-12. Međutim, praznine u blizini površine proizvešće povratno raspršivanje koje može ometati površinsko odbijanje. To će prouzrokovati fluktuaciju prividne propusnosti izračunate iz merenja amplitude reflektovanog signala. Primeri koji se razmatraju u nastavku mogu skenirati celu unutrašnju površinu tunela i locirati varijacije površinske dielektrične propusnosti koje se mogu dalje ispitati drugim dijagnostičkim tehnikama.

[0071] Kinematika primernog uređaja za prikupljanje podataka za upotrebu pri formiranju 3D slike koja predstavlja podzemnu infrastrukturu smeštene u blizini vozila u pokretu prikazana je na Slici 2.

[0072] Radi jasnoće, Slika 2 ilustruje samo usmerenu antenu primera uređaja koji uključuje dve antenske komponente: antenu sa predajničkim rogom 14 i antenu sa prijemničkim rogom 15. Antena sa predajničkim rogom 14 i antena sa prijemničkim rogom 15 mogu biti poprečne elektromagnetne („TEM“) rog antene.

[0073] Kao što je prikazano na Slici 2, predajničke i prijemničke TEM antene 14, 15 rotira se oko ose rotacije antene definisane vektorom ugaone brzine Ω. predajničke i prijemničke TEM antene 14, 15 postavljene su direktno preko središnje linije 16 šinskih pruga na visini h. Vektor ugaone brzine Ω leži na horizontalnoj ravni obuhvaćenoj sa x1i x2, gde x2predstavlja smer kretanja vozila, koji se ovde može označiti kao uzdužni smer, a x1je normalan na smer kretanja vozila, što se ovde može označiti kao bočni smer.

[0074] Ugao θ između ose rotacije antene Ω i smera kretanja vozila x2se menja u odnosu na promenu ugaonog položaja od Ω i njegove pripadajuće ravni rotacije 13 (ravan normalna na osu rotacije antene Ω). Ugaoni položaj antenskog sklopa 14 u ravni rotacije 13 je Ωtuzimajući u obzir x3(vertikalna osa), i osa rotacije antene Ω može se rotirati za ugao φ oko vektora (cos(θ)cos(Ωt), - sin(θ)cos(Ωt), sin(Ωt)), naginjući pri tome vektor vizure d van ravni rotacije 13 tako da postoji ugao φ između vektora vizure d i ravni rotacije 13.

[0075] Za potrebe ilustracije kretanja vektora vizure d, kao što je prikazano na Slici 3(a)-(d), dužina d može biti ograničena tako da:

što osigurava da vrh vektora vizure d održava dodir sa cilindrom poluprečnika h čija se središnja osa poklapa sa uzdužnom osom x2. Parametarska kriva prostora koja opisuje kretanje vizure u odnosu na stacionarni koordinatni sistem O je tada:

[0076] Slike 3(a)-(d) ilustruju ovu prostornu krivu za rastuće vrednosti θ pod pretpostavkom da se antenski sklop koji uključuje predajničku i prijemničku TEM rog antenu 14, 15 kreće translaciono brzinom od 45 m/s (162 km/h) na visini h = 1 sa φ = 0 i rotirajući pri 210 rad/sek (≈ 2000 o/min).

[0077] Slike 3(a)-(d) odgovaraju θ koji ima vrednosti 0, 45, 60 i 75 stepeni, respektivno.

[0078] U primerima prikazanim na Slici 3 (b)-(d), ugao θ je promenjen u vrednost koja nije nula tako da primarna osa zračenja (vektor vizure d) usmerene antene ima komponentu kretanja koja je suprotna smeru kretanja šinskog vozila dok je primarna osa zračenja (vektor vizure d) usmerenih antenskih tačaka ispod vozila u pokretu. Minimalna udaljenost između susednih „namotaja“ parametarske krive prostora za određenu vrednost Ωt iznosi ℓ (ilustrovano na Slikama 3(a)-(d)), data je približno

[0079] Dakle, minimalno rastojanje ℓ koje razdvaja susedne segmente krive u području gde cilindar jediničnog radijusa dodiruje ravan tla (direktno ispod vozila) smanjuje se sa približno 1,25 m u (a) na 0,375 m u (d). Recipročna vrednost ℓ daje linearnu gustinu uzorkovanja duž segmenta linije koji je u ravni tla i približno je normalna na ∂r(t)∂t na mestu gde prostorna kriva seče ravan tla. Efekat povećanja 0 je poboljšanje gustine uzorkovanja sa 0,8 uzoraka/m na 2,67 uzoraka/m duž ovog segmenta linije. Druga mera linearne gustine uzorkovanja je duž same krive prostora, koja se može izračunati korišćenjem

[0080] Linearne gustine uzorkovanja duž prostorne krive. = (skeniranje/sek) / |∂r(t)/∂t|, gde (skeniranje/sek) predstavlja broj skeniranja u sekundi dat kao frekvencija ponavljanja impulsa (PRF) radara podeljena brojem impulsa u nizu (skeniranje je funkcionalno ekvivalentno tragu). Dvodimenzionalna gustina uzorkovanja, skraćeno S.D., meri se kao uzorci/m<2>i proizvod je dve gore navedene linearne gustine uzorkovanja:

[0081] Iz jednačine iznad se vidi da što je |∂r(t)/∂t| viši, to je S.D. niži, jer antena troši manje vremena u određenoj tački. Zbog toga je gustina uzorka obrnuto proporcionalna brzini.

[0082] Naravno, svako povećanje gustine skeniranja ispod vozila rezultuje smanjenjem gustine skeniranja iznad vozila. Međutim, rastojanje između susednih „namotaja“ zavojnice prostorne krive će se povećati kako je prikazano na Slici 3. Stoga, možda će biti poželjno pronaći najbolji balans duž krive i normalno na rezoluciju krive u funkciji θ za određenu brzinu rotacije antenu i brzinu vozila, uzimajući u obzir područje koje treba skenirati.

[0083] Pored toga, |∂r(t)/∂t| se menja sa θ, pa se može pronaći optimalna vrednost θ koja minimizuje |∂r(t)/∂t| i stoga maksimizuje linearnu gustinu uzorkovanja duž prostorne krive u području od interesa (što može biti, na primer, ravan tla, tunel ili potporni zid). Ovo pokazuje efikasnost menjanja θ za maksimizovanje gustine uzorkovanja duž i normalno na krivu prostora u ravni tla. Kada je potrebno ravnomerno uzorkovanje preko trista šezdeset stepeni (kao na primer pri pronalaženju funkcije površinske impedance u unutrašnjosti tunela) θ se može postaviti na nulu (prikazano na Slici 3(a)), što će zahtevati smanjenu brzinu vozila. Za većinu primena na šinama potrebno je ispitati samo kolosek i susedna područja, pa se θ može odabrati u zavisnosti od Ω, bočne veličine područja od interesa, potrebna gustine uzorkovanja i brzine vozila.

[0084] Primer uređaja za prikupljanje podataka za upotrebu pri formiranju 3D slike koja predstavlja podzemnu infrastrukturu smeštenu u blizini vozila u pokretu detaljnije je prikazan na Slici 4(a) i Slici 4(b).

[0085] Uređaj ima montažnu ploču 17 konfigurisanu za montiranje na vozilo, koja nosi konzole 18 koje pričvršćuju uzdužni nosač 19 i stabilizacionog nosača 20 i 21 za ploču. Poželjno je da je nosač 19 dovoljno dugačak da spreči da samo vozilo blokira radarsku propustljivost kada je θ veliki (mada kao što je prethodno napomenuto, neki negativni efekti velikog θ mogu se ublažiti promenom φ da ne bude nula). Nosači 20 i 21 deluju na stabilizaciju uzdužnog nosača u odnosu na vertikalno i bočno kretanje, respektivno. Linearni aktuator 22 povezan na momentni krak 23 kontroliše vrednost θ kroz tačku okretanja 24. Platforma 26 povezana na osovinu nosi električni pogonski motor 28 u nosaču 27, kao i pripadajuću upravljačku elektroniku 29. Pogonska osovina 32 je pričvršćena za rotirajuću osovinu 30 preko zupčastog sklopa 31 koji sadrži kuglični ležaj velike brzine za ovu svrhu. Ovaj sklop takođe sadrži spiralne zupčanike koji omogućavaju električnom motoru da rotira antenski sklop 33. Optički enkoder 25 na osovini i drugi optički enkoder na pogonskoj osovini konfigurisani su za prenos podataka u upravljačku jedinicu koja beleži podatke o ugaonom položaju koji odgovaraju svakom tragu (trag = radarski podaci koji predstavljaju reflektovanu RF energiju u funkciji dubine koju usmerena antena prima tokom ciklusa prikupljanja).

[0086] Podaci o translacionom položaju se pripisuju svakom tragu pomoću tahometra i opciono GPS ulaza. Tahometar bi obično pružao samo linearne informacije, tako da se podaci o položaju prikupljeni GPS uređajem mogu koristiti za uzimanje u obzir kriva na koloseku i/ili za mapiranje naknadno formiranih podataka o 3D slici (pogledati u nastavku) u globalnom koordinatnom sistemu.

[0087] Podaci o brzini vozila mogu se koristiti za menjanje θ i Ω u realnom vremenu.

[0088] Komponente 17-33 uređaja mogu se posmatrati kao bazna jedinica konfigurisana za montiranje na vozilo.

[0089] Antenski sklop 33 sadrži usmerenu antenu, radarski primopredajnik i analogno-digitalni konverter. Antenski sklop 33 montiran je na šinsko vozilo pomoću tačke priključka 34 preko pogonske osovine 32, čime se omogućava pogonskom motoru 28 da rotira antenski sklop 33, i samim tim je i usmerena antena sadržana u antenskom sklopu 33. Antenski sklop 33 je povezan sa procesorskom jedinicom (nije prikazana) koja se nalazi u baznoj jedinici, putem jednosmernog optičkog kabla (koristi se rotacioni spoj optičkih vlakana).

[0090] Antenski sklop 33 je detaljnije prikazan na Slici 5. Predajničke i prijemničke TEM rog antene 14, 15 usmerene antene postavljene su na unutrašnjem gimbalu 37, što omogućava menjanje ugla φ; ovaj gimbal se okreće oko ose naznačene u 36. Skraćeni sferični oblik poklopca antenskog sklopa 33 omogućava da se φ menja do 45 stepeni. Spoljni gimbal 35 se okreće pogonskom osovinom sa ugaonom brzinom Ω, rotirajući tako čitav antenski sklop 33 oko Ω. TEM rogovi su povezani sa primopredajnikom 38 pomoću koaksijalnog kabla 39 od 50 oma. Dno poklopca sklopa 40 sastoji se od prozirnog radio-frekvencijskog materijala.

[0091] Uređaj tako izvodi, koristeći usmerenu antenu dok se rotira oko ose rotacije antene Ω, mnoštvo ciklusa prikupljanja u kojima antena sa predajničkim rogom 14 usmerene antene emituje RF energiju, i antena sa prijemničkim rogom 15 usmerene antene prima odbijenu RF energiju.

[0092] Tokom svakog od više ciklusa prikupljanja koje izvodi usmerena antena, procesorska jedinica smeštena u baznoj jedinici prikuplja:

(i) radarske podatke koji predstavljaju reflektovanu RF energiju koju prima antena sa prijemničkim rogom 15 usmerene antene tokom ciklusa prikupljanja;

(ii) podatke o ugaonom položaju (sa optičkih enkodera) koji predstavljaju ugaoni položaj usmerene antene oko ose rotacije antene Ω tokom ciklusa prikupljanja; i

(iii) podatke o translacionom položaju (sa tahometra i opciono GPS uređaja) koji se odnose na translacioni položaj usmerene antene tokom ciklusa prikupljanja.

[0093] Svi prikupljeni podaci čuvaju se na lokalnom čvrstom disku koji je uključen u baznu jedinicu. Kasnije se računar koristi za obradu radarskih podataka, podataka o ugaonom položaju i podataka o translacionom položaju prikupljenih tokom svakog od više ciklusa prikupljanja kako bi se formirali podaci o 3D slici koji predstavljaju podzemnu infrastrukturu koja se nalazi u blizini vozila u pokretu.

[0094] Postoji refleksioni profil (poznat kao trag) povezan sa svakom tačkom uzorkovanja na tlu. Ovo je u suštini jednodimenzionalni skup podataka o amplitudi refleksije (duž linije) čija je podzemna dielektrična propustljivost u funkciji udaljenosti/dubine. Poznavanjem preciznog linearnog i ugaonog položaja antene prilikom snimanja traga, moguće je odrediti jednačinu te linije u prostoru i dodeliti amplitude refleksije duž nje. Interpolacijom ovih podataka između svih takvih linija u 3D prostoru može se dobiti 3D karta podzemnog područja. Naravno, ovo je samo vrlo jednostavan pregled. Poželjno bi bilo da se varijacije površinske impedance i topografije nadoknađuju kako bi se dobile najbolje moguće slike, što se može postići upotrebom tehnika poznatih u struci.

[0095] Shodno tome, stručnjaku bilo bi jednostavno da pretvori podatke u osnovne podatke o 3D slici. Mogli bi se predvideti sofisticiraniji algoritmi za dobijanje visokokvalitetne 3D slike, npr. nadoknađivanjem varijacija površinske impedance i topografije. Čak i kada se dobije osnovna 3D slika, uključeni proračuni su računski intenzivni, zbog čega se u ovom primeru koristi oflajn obrada, iako ne postoji suštinski razlog zašto ovu obradu računar na uređaju ne bi mogao da izvrši „u hodu“.

[0096] Iako antenski sklop 33 prikazan na Slici 5 uključuje samo jednostruku usmerenu antenu koja uključuje predajničke i prijemničke TEM rog antene 14, 15, antenski sklop 33 može u nekim otelotvorenjima (nije prikazan) da sadrži dodatnu usmerenu antenu koja uključuje dalje predajničke i prijemničke TEM rog antene. Dodatna usmerena antena se može koristiti dok se rotira oko ose rotacije antene Ω kako bi se izvelo mnoštvo dodatnih ciklusa prikupljanja u kojima dodatna usmerena antena emituje RF energiju i prima reflektovanu RF energiju. Kao što je već detaljno opisano iznad, usmerena antena i dodatna usmerena antena mogu biti konfigurisane da emituju RF energije koje imaju različite frekvencije.

[0097] Iako je primer uređaja opisan za šinsko vozilo, primer mehanizma bi se mogao koristiti sa drugim kopnenim vozilom, npr. drumskim vozilom.

[0098] Takođe bi bilo moguće koristiti mehanizam sa vodenim vozilom, po mogućnosti sa kompenzacijom za nagib/visinu vodenog vozila (bilo u obradi podataka ili kako bi se sprečilo da nagib/visina utiču na antentski sklop).

[0099] Takođe bi bilo moguće koristiti mehanizam sa vazdušnim vozilom, poželjno sa inercionom mernom jedinicom koja ima kompenzaciju nagiba, visine i kotrljanja, i poželjno sa GPS uređajem koji se koristi za dobijanje podataka o položaju. U slučaju vazdušnog vozila, najverovatnije bi postojala visinska ograničenja preko kojih se ne bi dobili značajni podzemni podaci.

[0100] U primeru uređaja, koristi se impulsna UWB radarska tehnika, što znači da treba koristiti nedisperzivne antene. Iako se u ovom primeru kao nedisperzivne antene koriste TEM antene, ove TEM antene mogu se zameniti drugim tipom nedisperzivnih antena, npr. opterećena dipolna antena. Ako bi se koristila druga (neimpulsna) radarska tehnika, mogli bi se koristiti i drugi tipovi antena.

[0101] Performanse bilo kog podzemnog radara zavise od električne provodljivosti tla. Tla visoke provodnosti apsorbuju radio-frekvencijsku energiju što rezultuje brzim slabljenjem elektromagnetnog zračenja. Tla koja su sposobna da zadrže velike količine vode i imaju visok kapacitet razmene katjona (CEC je ukupan broj pozitivnih jona ili katjona, koje određeno tlo može da sadrži) nisu pogodna za radarska ispitivanja. Primer za to je glina, za koju se obično smatra da se tlo sastoji od čestica od 2 μm ili manje; mala veličina čestica rezultuje velikom gustinom čestica, i odgovarajuće velika ukupna površina sadrži velike količine vode u poređenju sa ostalim vrstama tla. Predmetni uređaj opisan iznad može imati poteškoća u snimanju podzemnih karakteristika ako prevladava glina sa visokim sadržajem vlage, i možda neće funkcionisati ako je infrastruktura koja se ispituje poplavljena.

[0102] Primerni uređaj opisan iznad mogao bi se koristiti za sve vrste radarskih podzemnih ispitivanja. Većina radarskih jedinica koje prodiru u tlo i koje se koriste za konvencionalno skeniranje koriste antene povezane tlom, dok je primerni uređaj opisan iznad sistem povezan vazduhom. Sistemi povezani tlom prenose više energije u tlo, jer je impedanca antene usklađena sa impedancom površine tla, pa se prenos impulsa širi kroz interfejs sa malim odrazom. Zbog toga imaju bolji prodor u dubinu od svojih ekvivalenata povezanih vazduhom, međutim površinska impedanca može brzo da fluktuira na kratkim rastojanjima, tako da je u praksi nemoguće uvek podudariti antenu sa tlom. Zbog ove neusklađenosti antena će vibrirati, što rezultuje zaklonjenim karakteristikama i slikama lošeg kvaliteta. Ovaj problem je posebno teško ukloniti pozadinskom obradom, posebno za velike varijacije impedance. Radar povezan vazduhom ne pati od ovog problema toliko ozbiljno, pa može proizvesti slike višeg kvaliteta na štetu smanjene dubine prodiranja. Radari povezani vazduhom takođe imaju mnogo veće brzine prikupljanja podataka i mogu se efikasnije koristiti na teškim ili opasnim terenima (na primer uklanjanje mina).

[0103] Primerni uređaj opisan iznad može smanjiti vreme potrebno za dovršavanje skeniranja, jer je njegova efektivna širina preseka mnogo veća od trenutnih sistema. Za ispitivanje lokacije trebalo bi manje preseka, što bi dovelo do uštede vremena i troškova. Područja u kojima bi se ova tehnologija mogla primeniti uključuju komunalno lociranje, forenziku, arheologiju, ispitivanje građevina, detektovanje ponornica/praznina i neeksplodirane uređaje/mine.

[0104] Kada se koriste u ovoj specifikaciji i patentnim zahtevima, izrazi „sadrži“ i „obuhvata“, „uključuje“ i njihove varijacije znače da su uključene navedene osobine, koraci ili celi brojevi. Izrazi se ne smeju tumačiti tako da se isključi mogućnost prisustva drugih karakteristika, koraka ili celih brojeva.

[0105] Karakteristike obelodanjene u prethodnom opisu ili na pratećim slikama, izražene u svojim specifičnim oblicima ili u smislu sredstva za izvršavanje obelodanjene funkcije, ili postupak ili proces za dobijanje objavljenih rezultata, prema potrebi, mogu se koristiti za izvođenje pronalaska u različitim oblicima.

[0106] Iako je pronalazak opisan zajedno sa gore opisanim primernim otelotvorenjima, mnoge ekvivalentne modifikacije i varijacije biće očigledne stručnjacima kada im se pruži predmetno obelodanjenje. Shodno tome, primeri otelotvorenja pronalaska predstavljeni iznad smatraju se ilustrativnim, a ne ograničavajućim. Obim zaštite definisan je priloženim patentnim zahtevima.

[0107] Na primer, antenski sklop 33 može se promeniti u zavisnosti od zahteva ispitivanja ili se može koristiti drugi pogonski sistem za rotiranje antenskog sklopa (na primer, sistem kaišnog pogona).

[0108] Kako bi se izbegla bilo kakva sumnja, sva teorijska objašnjenja su ovde pružena radi poboljšanja razumevanja čitaoca.

Claims (14)

Patentni zahtevi

1. Postupak za formiranje podataka o 3D slici koji predstavljaju podzemnu infrastrukturu koja se nalazi u blizini vozila u pokretu, gde postupak uključuje:

rotiranje usmerene antene (14, 15), postavljene na vozilo u pokretu, oko ose rotacije antene (Ω); izvođenje, koristeći usmerenu antenu dok se rotira oko ose rotacije antene (Ω), mnoštva ciklusa prikupljanja u kojima usmerena antena emituje RF energiju i prima reflektovanu RF energiju; prikupljanje, tokom svakog od više ciklusa prikupljanja koje izvodi usmerena antena:

(i) radarskih podataka koji predstavljaju reflektovanu RF energiju koju usmerena antena prima tokom ciklusa prikupljanja;

(ii) podataka o ugaonom položaju koji predstavljaju ugaoni položaj usmerene antene oko ose rotacije antene tokom ciklusa prikupljanja; i

(iii) podataka o translacionom položaju koji se odnose na translacioni položaj usmerene antene tokom ciklusa prikupljanja;

obradu radarskih podataka, podataka o ugaonom položaju i podataka o translacionom položaju prikupljenih tokom svakog od mnoštva ciklusa prikupljanja kako bi se formirali podaci o 3D slici koji predstavljaju podzemnu infrastrukturu koja se nalazi u blizini vozila u pokretu;

naznačen time da postupak uključuje menjanje ugla θ između ose rotacije antene (Ω) i smera kretanja vozila (x2) na vrednost koja nije nula, tako da primarna osa zračenja (d) usmerene antene (14, 15) ima komponentu kretanja koja je suprotna smeru kretanja vozila (x2) dok je primarna osa zračenja (d) usmerene antene (14, 15) tačaka ispod vozila u pokretu.

2. Postupak prema patentnom zahtevu 1, gde postupak uključuje menjanje ugla θ između ose rotacije antene (Ω) i smera kretanja vozila (x2).

3. Postupak prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, gde postupak uključuje menjanje ugla φ između primarne ose zračenja (d) usmerene antene (14, 15) i ravni (13) normalne na osu rotacije antene (Ω).

4. Postupak prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, gde RF energija koju emituje usmerena antena (14, 15) tokom svakog ciklusa prikupljanja uključuje ultraširokopojasni impuls propusnog opsega koji premašuje manju vrednost od 500 MHz ili 20% frakcionog propusnog opsega, i dužine impulsa u trajanju od 2ns ili manje, gde se frakcioni propusni opseg definiše kao propusni opseg usmerene antene podeljen njenom centralnom frekvencijom, gde je centralna frekvencija u rasponu od 300 MHz do 2,5 GHz.

5. Postupak prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, gde usmerena antena (14, 15) uključuje antenu sa predajničkim rogom (14) konfigurisanu da emituje RF energiju i antenu sa prijemničkim rogom (15) konfigurisanu za prijem reflektovane RF energije.

6. Postupak prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, gde postupak uključuje upotrebu podataka o položaju prikupljenih od GPS uređaja za mapiranje podataka o 3D slici u globalni koordinatni sistem.

7. Postupak prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, gde postupak dodatno uključuje:

rotiranje dodatne usmerene antene, postavljene na vozilo u pokretu, oko ose rotacije dodatne antene;

izvođenje, koristeći dodatnu usmerenu antenu dok se rotira oko ose rotacije dodatne antene, mnoštva dodatnih ciklusa prikupljanja u kojima dodatna usmerena antena emituje RF energiju i prima reflektovanu RF energiju;

prikupljanje, tokom svakog od mnoštva dodatnih ciklusa prikupljanja koje izvodi dodatna usmerena antena:

(i) dodatnih radarskih podataka koji predstavljaju reflektovanu RF energiju koju prima dodatna usmerena antena tokom dodatnog ciklusa prikupljanja;

(ii) dodatnih podataka o ugaonom položaju koji predstavljaju ugaoni položaj dodatne usmerene antene oko ose rotacije dodatne antene tokom dodatnog ciklusa prikupljanja; i (iii) dodatnih podataka o translacionom položaju koji se odnose na translacioni položaj dodatne usmerene antene tokom dodatnog ciklusa prikupljanja;

obradu dodatnih radarskih podataka, dodatnih podataka o ugaonom položaju i dodatnih podataka o translacionom položaju prikupljenih tokom svakog od dodatnog mnoštva ciklusa prikupljanja kako bi se formirali dodatni podaci o 3D slici koji predstavljaju podzemnu infrastrukturu smeštenu u blizini vozila u pokretu.

8. Postupak prema patentnom zahtevu 7, gde usmerena antena i dodatna usmerena antena mogu biti konfigurisane da emituju RF energije koje imaju različite frekvencije.

9. Postupak prema patentnom zahtevu 8, gde je usmerena antena konfigurisana da emituje UWB impulse koji imaju centralnu frekvenciju u rasponu 250-750MHz, dok je druga usmerena antena konfigurisana da emituje UWB impulse koji imaju centralnu frekvenciju u rasponu 1,5GHz-2,5GHz.

10. Postupak prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, gde je vozilo šinsko vozilo.

11. Uređaj za prikupljanje podataka za upotrebu pri formiranju 3D slike koja predstavlja podzemnu infrastrukturu koja se nalazi u blizini vozila u pokretu, gde uređaj uključuje:

baznu jedinicu (17-33) konfigurisanu za montiranje na vozilo;

usmerenu antenu (14, 15) rotaciono montiranu na baznu jedinicu (17-33) kako bi se omogućilo rotaciju usmerene antene (14, 15) oko ose rotacije antene (Ω);

pogonsku jedinicu (28, 32) konfigurisanu za rotaciju usmerene antene (14, 15) oko ose rotacije antene (Ω);

gde je uređaj konfigurisan da izvodi, koristeći usmerenu antenu (14, 15), dok se rotira oko ose rotacije antene (Ω), i dok se vozilo na koje je postavljena bazna jedinica (17-33) kreće, mnoštvo ciklusa prikupljanja u kojima usmerena antena (14, 15) emituje RF energiju i prikuplja reflektovanu RF energiju;

gde je uređaj konfigurisan za prikupljanje tokom svakog od više ciklusa prikupljanja koje izvodi usmerena antena (14, 15):

(i) radarskih podataka koji predstavljaju reflektovanu RF energiju koju usmerena antena prima tokom ciklusa prikupljanja;

(ii) podataka o ugaonom položaju koji predstavljaju ugaoni položaj usmerene antene oko ose rotacije antene tokom ciklusa prikupljanja; i

(iii) podataka o translacionom položaju koji se odnose na translacioni položaj usmerene antene tokom ciklusa prikupljanja;

naznačen time da je uređaj konfigurisan da menja ugao θ između ose rotacije antene (Ω) i smera kretanja vozila (x2) do vrednosti koja nije nula, tako da primarna osa zračenja (d) usmerene antene (14, 15) ima komponentu kretanja koja je suprotna smeru kretanja vozila (x2), dok je primarna osa zračenja (d) usmerene antene (14, 15) tačaka ispod vozila u pokretu.

12. Uređaj prema patentnom zahtevu 11, gde uređaj uključuje krak (30) koji se može rotirati oko osovine/zgloba, gde je antena postavljena na krak tako da se ugao θ može menjati rotacijom kraka oko osovine/zgloba.

13. Uređaj prema patentnom zahtevu 11, gde uređaj uključuje procesorsku jedinicu konfigurisanu za obradu podataka o ugaonom položaju i podataka o translacionom položaju prikupljenih tokom svakog od mnoštva ciklusa prikupljanja kako bi se formirali podaci o 3D slici koji predstavljaju podzemnu infrastrukturu koja se nalazi u blizini vozila u pokretu.

14. Računarski čitljiv medijum koji sadrži radarske podatke, podatke o ugaonom položaju i podatke translacionom o položaju prikupljene prema postupku prema bilo kom patentnom zahtevu od 1 do 10, gde računarski čitljiv medijum dalje uključuje instrukcije koje se izvršavaju na računaru, konfigurisane da na računaru izvrše obradu radarskih podataka, podataka o ugaonom položaju i podataka o translacionom položaju prikupljenih tokom svakog od mnoštva ciklusa prikupljanja izvedenih kao deo postupka.