Недостатки георадаров – , –

Содержание

Схема георадара, как выбрать георадар

ВЫБЕРИТЕ ГЕОРАДАР

Основы георадиолокации

Георадиолокация является методом геофизики, то есть одним из способов изучения среды (грунтов или строительных конструкций в зависимости от задачи). Различных методы геофизики изучают среду с помощью различных физических полей. Например, метод магнитометрии позволяет обнаруживать рудные породы по их магнитным свойствам, метод сейсмометрии разделяет грунты с различными упругими свойствами и т.д.

Метод георадиолокации относится к группе электромагнитных методов, то есть изучает отклик среды на излучаемое электромагнитное поле.

Рис. 1. Электромагнитная волна

Метод работает в диапазоне частот от 50 до 2000 МГц.

Глубинность до 30м (льды пресные)

Разрешающая способность 1 см – 1 м

Результаты, полученные при помощи геофизических методов, отображают истинную картину лишь в некотором приближении. Глубины залегания и мощности слоев вычисляются с определенной точностью, которая зависит от количества геологической информации об объекте исследования, точности измерительных приборов и множества других факторов. Общепринято проводить инженерно-геологические исследования совместно с бурением скважин. В более широком смысле под скважиной можно понимать любую точку среды с известными свойствами (например, в некоторой точке исследуемой области известна глубина залегания искомого слоя). При правильном подходе к геофизике, интерпретируя ее как метод уточнения геологического строения между двумя скважинами, можно получать результаты, близкие к истинным.

Большое значение имеет комплексирование методов: совместное использование двух или нескольких методов геофизики. Комплексирование дает более полное и достоверное представление о строении исследуемой среды.

История георадиолокации

Возможность «просвечивания» горных пород с помощью радиоволн установлена еще в 1910-1911 гг. немецкими учеными
Г. Лови и Г. Леймбахом. Ими же в 1912 г. предложен интерференционный метод для поиска руд и воды с помощью радиопросвечивания.

Позднее произошло второе открытие метода, во время изучения Антарктики. При картировании рельефа поверхности с самолета стандартным бортовым локатором на записи самописца ниже границы льда стала прослеживаться вторая граница, похожая на первую, но с некоторыми отличиями. Анализируя полученную картину, специалисты пришли к выводу, что первая граница – это поверхность земли, а вторая – это подошва ледяного покрова. С этого момента стало возможным оценивать мощности льдов. За счет низкого поглощения электромагнитной волны в толще льда, глубина исследования достигла нескольких сот метров.

Вскоре по аналогии был создан наземный прибор, названный георадаром, применяемый также для оценки толщины ледового покрова. Метод стал развиваться чисто на практическом применении, не подкрепляясь теорией. Тем не менее, он хорошо зарекомендовал себя при исследованиях в условиях вечной мерзлоты.

В последние годы произошло быстрое развитие теории метода. Георадары стали использоваться для изучения в области геологии, археологии, строительства, криминалистики и многих других.

Георадары

Слово georadar – состоит из двух частей: первая – Geo – Земля, а второе Radar -является аббревиатурой: RAdio Detection And Ranging, что дословно переводится как радиообнаружение и измерение расстояния. Таким образом, с помощью георадара можно находить любые объекты и определять расстояния до них.

В 90-е годы, когда произошла очередная научно-техническая революция, и персональные компьютеры стали более доступны, интерес к георадиолокации вновь возрос и не ослабел до сих пор.

С конца 90-х годов регулярно проводятся научно-исследовательские конференции, посвященные этому методу. Издаются специальные выпуски журналов.

Георадар предназначен для инженерно-геотехнического обследования грунтов, поиска подземных объектов, определения планового направления и глубины залегания исследуемых объектов и подземных коммуникаций.

Таким образом, принцип действия георадара основан на излучении сверхширокополосных наносекундных импульсов, приеме сигналов, отраженных от границ раздела сред, стробоскопической обработке принятых сигналов и последующим измерением временных интервалов между отраженными импульсами.

Типы волн

Основными типами волн являются:

Прямая волна
Отраженная волна
Дифрагированная волна

Прямая волна идет от излучающей антенны непосредственно к приемной по воздуху со скоростью V = 30 см/нс и по грунту со скоростью V = V1, характерной для каждого типа грунта. Прямая волна всегда первая появляется на радарограмме.

Отраженная волна идет от границы раздела сред с различными электрическими свойствами в направлении, обратном к излученной. Угол направления отраженной волны определяется согласно закону Снеллиуса

Котр=( ε1- ε2)/( ε1 + ε2)

Дифрагированная волна образуется в результате явления дифракции. Дифракция возникает в том случае, если размер препятствия сравним или меньше длины распространяющейся волны.

Схема образования дифрагированной волны (А) и построение радарограммы (Б).

Пример радарограммы

1) Засыпанная траншея
2) Песок
3) Дифрагированная волна (гипербола) от закопанной трубы

Электрофизические свойства среды.

Применение метода георадиолокации для разделения различных пород между собой возможно благодаря их различию по электрическим свойствам. Основные свойства – это удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемость.

Удельное электрическое сопротивление определяет затухание электромагнитного поля в среде, а, следовательно, и глубинность исследования. Чем меньше затухание, тем на большую глубину проникнет поле, то есть мы получим отклик от пород с большей глубины.

Практически все вещества, кроме чистого металла, могут быть отнесены к диэлектрикам с конечной проводимостью. В связи с этим введено понятиеотносительной диэлектрической проницаемости вещества.

Наиболее важными параметрами, характеризующими возможности применения метода георадиолокации в различных средах, являются удельное затухание

(Г [дб/м]) искорость распространения электромагнитных волн в среде, которые определяются ее электрическими свойствами. Первый из них определяет глубинность зондирования используемого георадара, знание второго параметра необходимого для пересчета временной задержки отраженного импульса в глубину до отражающей границы.

Таблица 1. Основные электрические характеристики почв и пород

Тип	Влажность %	ε (диэлектрическая проницаемость)	Затухание [разы/м]	Скорость Vф [см/нс]
Пески разно-зернистые	0	3.2	1	17
	4	5	1,2	13
	8	7	1,5	11
	12	11	1,8	9
	16	15	2,1	8
Суглинок серый	0	3,2	1,01	17
	5	4,8	3,1	14
	10	7,0	6,0	11
	20	14,7	20	8
Суглинок каштановый	0	3,2	1,01	17
	5	4,0	1,4	15
	10	6,5	1,7	12
	20	10	3,5	10
Глина	0	2,4	1,04	19
	4	5,4	14,1	13
	8	8	22,4	11
	12	12	100	9
	16	18,6	447	7
Известняк	0	8	1,06	11
Известняк	Влажный	8	5	11
Доломит		6,7	1,07	12
Чернозем (Юг Липецкой обл.)	0	3,7	2,2	16
	5	6,2	7,1	12
	10	10	22,4	9
	15	14	63	8
	20	22	1000	6
Каменный уголь		4-6	1,1-1,8	15-12
Торф мокрый		62-69	1,4-3,2	4
Гранит влажный		5		13
Базальт влажный		8		11
Бетон (500Мгц)	0	3.7	1,7	16
	5	5.5	9,2	13
	10	7.0	16000	11
Вода пресная		81	1,02	3,3
Вода морская		81	3,6·1016	1,5
Мерзлый суглинок	–	16	1,1	8
Мерзлый песок		4.5	1,1	14
Снег сухой		1,2-2,8	1	18-27
Снег мокрый		2-6		12-21
Лёд пресный (- 10°С)		3.3	1-1,07	17
Лёд морской ( – 15°С)	Соленость 5	8,1	10	10
Лёд морской ( – 15°С)	12	7,7	10	10
Лёд морской ( – 25°С)	Соленость 5	6,7	2,5	12
Лёд морской ( – 25°С)	12	4,4	4,1	14

Зависимость глубины проникновения электромагнитной волны от рабочей частоты.

Рабочая частота, МГц	Максимальная глубина зондирования, м*
50	20
90	16
150	12
250	8
400	5
700	3
1000	1,5
1200	1,5
1700	1

*) Данные представлены для сред с малым затуханием (сухой песок, лед) !!!!!!

Влиять на глубину проникновения, можно уменьшая рабочую частоту, это означает, что при выборе антенного блока с меньшей частотой можно рассчитывать на увеличение глубины проникновения электромагнитной волны.

Из всего вышесказанного сделаем основной вывод: глубина проникновения электромагнитных волн в разных средах с разной степенью увлажненности – различна! Это означает, что выбор частот антенн георадара, в первую очередь, должен осуществляться исходя из реальных условий.

Области применения георадара

Выбор частоты антенного блока

Пожалуй, одной из самых непростых задач в решении проблемы выбора комплекта георадара является выбор частоты антенных блоков. Сложность заключается в том, что предсказать точно на какую глубину будет распространяться электромагнитная волна, испускаемая данным антенным блоком в реальных условиях практически невозможно, следовательно, предсказать какой антенный блок возьмет необходимую глубину – затруднительно. Мы можем это определить только качественно, но все же выход в подборе нужной антенны есть.

Для начала давайте поговорим об основных свойствах электромагнитной волны, необходимых для решения ваших задач: глубина проникновения, вертикальная разрешающая способность. О глубине проникновения уже говорилось ранее. Рассмотрим теперь разрешающую способность.

Что такое разрешающая способность? Разрешающей способностью антенного блока с определенной частотой называется способность различать два близко расположенных объекта. Другими словами, это степень детализации нашей радарограммы.

Для чего нужна эта величина? Предположим, нужно найти две небольшие трубы, находящиеся на расстоянии 10см друг от друга. Если частота антенного блока такова, что разрешающая способность больше расстояния между ними, то эти две трубы на радарограмме отобразятся как одна (в виде одной единственной гиперболы). Если же разрешающая способность меньше расстояния между трубами, то на экране мы увидим две близко расположенных гиперболы, следовательно, различим два объекта. Таким образом, разрешающая способность, как и глубина проникновения, зависит от частоты антенного блока. Эта зависимость представлена в Таблице 3

Таблица 3. Зависимость разрешающей способности электромагнитной волны от ее частоты.

Рабочая частота, МГц	Разрешающая способность по глубине, м
50	0,5-2
90	0,5
150	0,35
250	0,25
400	0,15
700	0,1
1000	0,05
1200	0,05
1700	0,03

Таким образом, при выборе частоты антенного блока приходится маневрировать между двумя величинами: с одной стороны, для увеличения глубины проникновения необходимо выбирать антенну с меньшей частотой, с другой стороны, для увеличения детализации необходимо выбирать антенну с более высокими частотами.

Как осуществить выбор частоты?

1) Выясняем необходимые глубины.

Для глубин более 5м необходимы низкие частоты – от 40 до 150 МГц
Для глубин от 5 до 1,5м необходимы среднечастотные антенны – от 200 до 700 МГц
Для глубин меньших 1,5м можно выбирать высокочастотные антенны – от 1000 до 2000 МГц.

2) Выясняем, какого размера объекты необходимо искать.

Далее ориентируемся по Таблице 3

Если необходим комплекс антенн, то подбираем необходимое количество антенн с различными частотами, чтобы достичь нужных глубин и получить нужную степень детализации.

geoyug1.ru

Георадар — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Примеры георадаров

Георадар — радиолокатор, для которого исследуемой средой может быть земля, грунт (отсюда наиболее распространённое название), пресная вода, горы.

Современный георадар представляет собой сложный электронный прибор, компоненты которого выполняют следующие функции:

формирование импульсов, излучаемых передающей антенной;
обработка сигналов, поступающих с приёмной антенны;
синхронизация работы всей системы.

Таким образом, георадар состоит из трёх основных частей: антенной части, блока регистрации и блока управления.

Антенная часть включает передающую и приемную антенны. Под блоком регистрации понимается ноутбук или другое записывающее устройство, а роль блока управления выполняет система кабелей и оптико-электрических преобразователей.

История развития георадара[

ru.wikipedia.org

Георадар

Российский георадар «ОКО-2»

Конструкция георадара
Современный георадар представляет собой сложный геофизический прибор, создаваемый при соблюдении определенных технологий. Основной блок состоит из электронных компонентов, выполняющих следующие функции: формирование импульсов, излучаемых передающей антенной, обработка сигналов, поступающих с приемной антенны, синхронизация работы всей системы. Таким образом, георадар состоит из трех основных частей: антенной части, блока регистрации и блока управления. Антенная часть включает передающую и приемную антенны. Под блоком регистрации понимается ноутбук или другое записывающее устройство, а роль блока управления выполняет система кабелей и оптико-электрических преобразователей.

Составляющие элементы георадара на примере «ОКО-2»

История развития георадара
Разработка георадаров велась в Рижском институте инженеров гражданской авиации (РИИГА) начиная с 1966 года. На основе экспериментов в натуральных условиях исследовались методы построения специализированных радиолокаторов для зондирования сравнительно тонких высокопоглащающих сред. Использование ударного возбуждения антенны позволило оценить электрические характеристики морского льда на разных частотах. Впервые радиолокационное измерение толщины морского льда проведено в 1971 года. С помощью предложенного М. И. Финкельштейном в 1969 году. Метода синтезируемого видеоимпульсного сигнала. Этот метод применён в первом промышленном радиолокационном измерителе толщины морского льда «Аквамарин». В 1973 году с борта самолета была доказана возможность обнаружения и измерения глубины водоносных слоев в пустынных районах Средней Азии. Использовался разработанный в РИИГА радиолокатор с ударным возбуждением антенны импульсами длительностью 50 нс с центральной частотой спектра около 65 МГц. Глубина зондирования оказалась выше 20 м при высоте полета самолета 200…400 м. Аналогичные работы были проведены для известняков в 1974 году, для мёрзлых пород — в 1975 году.
Следует указать на использование метода синтезирования апертуры в радиолокационной системе, установленной на борту космического корабля «Аполлон-17», для исследования поверхности Луны. Система была испытана в 1972 году С борта самолета над ледниками Гренландии на частоте 50 МГц при длительности импульса с линейной частотой модуляции 80 мкс (коэффициент сжатия 128).
Серийные образцы георадаров начали появляться в начале 70-х годов. В середине 80-х интерес к георадиолокации возрос в связи с очередным скачком в развитии электроники и вычислительной техники. Но, как показал опыт, это развитие оказалось недостаточным. Трудозатраты на обработку материалов не смогли окупиться в полной мере, и интерес к георадиолокации снова упал. В 90-е годы, когда произошла очередная научно-техническая революция, и персональные компьютеры стали более доступны, интерес к георадиолокации вновь возрос и не ослабел до сих пор.
С конца 90-х годов регулярно проводятся научно-исследовательские конференции, посвященные этому методу. Издаются специальные выпуски журналов.

Основные производители георадаров
В России разработкой георадарных технологий занимаются ООО «ВНИИ СМИ» — георадары серии «ЛОЗА», ЗАО «ТАЙМЕР» — георадары «Грот», снабженные антеннами для различных нужд, а также ООО «ЛОГИС» (официальным представителем которого является Научно-Производственный Центр Георадарных Технологий, НПЦ ООО «ГЕОТЕХ») — георадары ОКО-2 (экранированные и рупорные антенны с широкой линейкой частот). ООО «Геологоразведка»- георадары серии ТР-ГЕО.
В Украине разработчиками и производителями георадаров являются компании Transient Technologies – георадар VIY и ООО “Спецавтоматика” – георадар EASYRAD GPR.
Зарубежные компании — производители георадаров — IDS Ingegneria Dei Sistemi S.p.A. (Италия), GSSI (США), Sensor and Software Inc. (Канада), Era Technology (Великобритания), Geoscanners AB и MALA Geoscience(Швеция), RADIANT-EM (Германия), Radar Systems (Латвия), OYO corporation (Япония), Geozondas (Литва).
Основным поставщиком технологий на основе использования многоканальных георадаров производства IDS S.p.A. является ЗАО “Геостройизыскания” (Москва).
Официальным дистрибьютором георадаров производства MALA Geoscience на территории России и стран СНГ является ЗАО “ПРИН”

Принцип действия
Радары подповерхностного зондирования предназначены для изучения сред-диэлектриков по изменению диэлектрической проницаемости и/или электропроводности. Чаще всего георадары применяются для инженерно-геотехнического обследования грунтов и неразрушающего контроля (неметаллических) строительных конструкций.
Принцип действия большинства современных георадаров тот же, что и у обычных импульсных радаров. В изучаемую среду излучается электромагнитная волна, которая отражается от разделов сред и различных включений. Отраженный сигнал принимается и записывается георадаром.
В настоящее время большинство серийно производимых радаров можно сгруппировать в несколько подтипов, которые отличаются основными принципами функционирования:
•    стробоскопические георадары: такие радары испускают преимущественно импульсы с небольшой энергией, около 0.1-1 мкДж, но таких импульсов испускается довольно много 40-200тысяч импульсов в секунду. Используя стробоскопический эффект можно получить очень точную развертку – радарограмму во времени. Фактически усреднение данных с огромного числа импульсов позволяет существенно улучшить отношение сигнал/шум. В то же время, мощность в 0.1-1 мкДж накладывает серьезные ограничения на глубину проникновения таких импульсов. Обычно такие радары показывают очень точную картинку на глубине около одного метра, но практически ничего не видят на глубину более 3-5 метров.
•    слабоимпульсные радары: такие радары испускают существенно меньше 500-1000 импульсов в секунду, мощность каждого такого импульса уже существенно выше и достигает 100мкДж . Оцифровывая в каждом таком импульсе одну точку с разным сдвигом от начала, можно получить радарограмму во временной области без стробирования. В то же время такой аппарат позволяет снимать около одной радарограммы в секунду и практически не позволяет использовать усреднение для улучшения отношения сигнал/шум. Это позволяет получать радарограммы с глубин в десятки метров, но трактовать такие радарограммы может только специально обученный специалист.
•    сверхмощные радары с разнесенными антеннами: такие радары испускают только несколько импульсов в секунду, но энергия такого импульса достигает до 1-12 Дж. Это позволяет получать отражения от многих глубинных слоев вплоть до километровой глубины, но требует специального типа эксперимента, а именно испускающая антенна должна располагаться далеко (10-100м). Обработка таких радарограмм без использования специального программного обеспечения не представляется возможным. Обычно производители таких георадаров поставляют такое программное обеспечение в комплекте с георадаром.
Для всех вышеперечисленных типов радаров имеется возможность использования одного или нескольких каналов. В этом случае условно можно разделить все эти георадары на еще несколько классов:
•    одноканальные георадары: в таких георадарах имеется один передатчик и один приемник, большинство компаний производителей георадаров имеют одноканальные георадары.
•    многоканальные парные георадары: в таких георадарах имеется несколько пар приемник-передатчик, так что съемка геопрофиля с каждого канала происходит одновременно. Такие системы распространены у многих зарубежных производителей, которые специализируются на геопрофилировании дорожных покрытий. Такая система фактически содержит несколько одноканальных георадаров и позволяет в разы уменьшить время профилирования. Недостатком таких систем является громоздскость (они в разы больше одноканальных) и высокая стоимость.
•    многоканальные георадары с синтезированной приемной апертурой: это наиболее сложный тип георадаров, в котором на одну испускающую антенну приходится несколько приемных, которые синхронизованы между собой. Фактически такие георадары представляют собой аналог фазированной решетки. Основным преимуществом таких систем является гораздо более четкое позиционирование объектов под землей – фактически они работают по принципу стерео зрения, как если бы у радара было бы несколько глаз-антенн. Основным недостатком таких систем является очень сложные вычислительные алгоритмы, которые необходимо решать в реальном времени, что приводит к использованию дорогих электронных компонент, обычно на основе FPGA и GPGPU. Обычно такие системы применяются только в сверхмощных георадарах с разнесенными антеннами. В то же время, такие системы более помехоустойчивы и позволяют получать наиболее точную картину распределения диэлектрической проницаемости под землей.

poxoronka.ru

Вопрос – ответ: Как использовать Георадары, GPR оборудование

Безопасен ли георадар?

Многие люди задаются вопросом, есть ли опасность для человека, использующего GPR оборудование, а ответа нет. Хотя «георадар» возможно и опасен, но по сравнению с остальными приборами, окружающими нас, он безобиден — он излучает примерно 1% от мощности сигнала сотовой связи.

Как GPR оборудование работает?

Системы GPR работают путем посылки крошечных импульсов энергии в материал с помощью антенны. Интегрированный компьютер записывает силу и время, необходимое для возвращения любых отраженных сигналов. Отраженный сигнал подхватываются системой и хранится на цифровых носителях. Эта технология работает на всех исследуемых материалах и основана она на геологических различиях структуры и искусственных объектов, к примеру — трубы и провода.

Как еще называют георадар?

Георадара также известен как GPR, радар для зондирования грунта, наземный, водный.

Могу ли я увидеть неметаллические предметы под землей с помощью георадара?

GPR чрезвычайно точнен, когда дело доходит до поиска металлических и неметаллических объектов. Системы GPR посылают крошечные импульсы энергии в землю от антенны. Интегрированный компьютер записывает силу и время, необходимое для возвращения отраженных сигналов. Любые подземные колебания, металлические или неметаллические, изменяют отраженный сигнал. Когда это происходит, все обнаруженные предметы выявляются на экране компьютера в режиме реального времени, так и работает георадар. Пользователи могут узнать, металлический или неметаллический предмет используя данные отраженных волн.

Сложно ли использовать георадар, не будет ли проблем с обучением?

Наши студенты, как правило, считают, что работать с георадаром очень просто, но это не так — не все радары просты.

Георадар был впервые использован почти 40 лет назад, и поначалу использовался только исследователями — учеными. Более 30 лет технология георадара улучшалась и улучшается по сей день, для того чтобы упростить и усовершенствовать это оборудование.

В современном мире задачи стоят самые разные, сканирования бетона, поиск пустот, различные исследовательские работы.

Существуют курсы повышения квалификации для обучения начинающих и опытных пользователей GPR для улучшения навыков работы с георадарами. Обычно курсы представляют из себя вводную лекцию и практический опыт работы с оборудованием и программным обеспечением. Этот формат гарантирует, что каждый студент уходит с твердым знанием основ GPR и информацией о том, как использовать оборудование в реальных ситуациях.

Сколько займет обучение работе с георадаром?

Начинающим пользователям понадобится 2-3 дня обучения, чтобы ознакомиться с оборудованием и теорией работы радара. Почти все георадарные компании бесплатно обучают своих клиентов.

Насколько глубоко GPR «сканирует предметы» при поиске в земле, воде?

Глубина проникновения GPR зависит от материала в котором мы ищем, а также от используемых при сканировании частот антенны. Глубина проникания зависит от пропускной способности волн. Низкочастотные антенны обычно проникают глубже, но минусом являются шумовые потери с падением частоты.

Данные при поиске в разных грунтах тоже могут сильно различаться, что в свою очередь, влияет на проникновение GPR. В общем, сухие песчаные почвы с небольшим содержанием соли сканируются лучше всех, напротив в тяжелые глинистые почвы довольно трудно изучать с помощью георадара. В некоторых ситуациях, глубина проникновения может быть ограничена несколькими метрами в глинах, однако трубы, в песчаных почвах могут быть обнаружены на глубине до 20 метров.

Можно ли использовать георадар на воде?

Да. GPR может использоваться на пресной воде, но он не работает, в соленой.

Можно ли сканировать георадаром лед?

Да. GPR работает очень хорошо через лед и снег. Они лучше всего подходят для сканирования георадаром.

Можно ли использовать георадар с GPS?

Да. Большинство георадаров интегрируется с большинством систем GPS. Файлы данных позиции GPS и GPR сканирования автоматически сопоставляются в наших системах, так что в результате данных показывает правильное положение GPS.

Можно ли георадаром найти золото?

GPR используется многими профессиональными горнодобывающими компаниями, технология не очень хорошо подходит для поиска монет, золотых самородков или кладов. Лучше использовать металлодетекторы. Стоит отметить, что все найденное в земле принадлежит государству, поэтому заранее предупредите о своих исследованиях.

Может георадар быть использован для поиска кладбищ и захоронений?

Да. GPR подойдет, для поиска могил на кладбищах. Мы не видим изображение тела напрямую, но георадар хорошо реагирует на нарушения в почве, которые возникают если яма вырыта и закопана.

Я видел что-то подобное в фильме Парк Юрского периода. Может ли георадар действительно показать скелет?

Нет, это Голливуд адаптация техники. Могила будет выглядеть как большая буква «U».

www.georadar-loza.com

Георадар Википедия

Примеры георадаров

Конструкция георадара

формирование импульсов, излучаемых передающей антенной;
обработка сигналов, поступающих с приёмной антенны;
синхронизация работы всей системы.

История развития георадара

Разработка георадаров велась в разных странах Европы, Америки, России, СССР. На основе экспериментов в натуральных условиях исследовались методы построения специализированных радиолокаторов для зондирования сравнительно тонких высокопоглощающих сред. Использование ударного возбуждения антенны позволило оценить электрические характеристики морского льда на разных частотах. Впервые радиолокационное измерение толщины морского льда проведено в 1971 году с помощью предложенного М. И. Финкельштейном в 1969 году метода синтезируемого видеоимпульсного сигнала. Этот метод применён в первом промышленном радиолокационном измерителе толщины морского льда «Аквамарин».

В 1973 году с борта самолета была доказана возможность обнаружения и измерения глубины водоносных слоев в пустынных районах Средней Азии. Использовался разработанный в РИИГА радиолокатор с ударным возбуждением антенны импульсами длительностью 50 нс с центральной частотой спектра около 65 МГц. Глубина зондирования оказалась выше 20 м при высоте полета самолета 200…400 м. Аналогичные работы были проведены для известняков в 1974 году, для мёрзлых пород — в 1975 году.

Следует указать на использование метода синтезирования апертуры в радиолокационной системе, установленной на борту космического корабля «Аполлон-17», для исследования поверхности Луны. Система была испытана в 1972 году с борта самолета над ледниками Гренландии на частоте 50 МГц при длительности импульса с линейной частотой модуляции 80 мкс (коэффициент сжатия 128).

Серийные образцы георадаров начали появляться в начале 70-х годов. В середине 80-х интерес к георадиолокации возрос в связи с очередным скачком в развитии электроники и вычислительной техники. Но, как показал опыт, это развитие оказалось недостаточным. Трудозатраты на обработку материалов не смогли окупиться в полной мере, и интерес к георадиолокации снова упал. В 90-е годы, когда произошла очередная научно-техническая революция, и персональные компьютеры стали более доступны, интерес к георадиолокации вновь возрос и не ослабел до сих пор.

Принцип действия

Радары подповерхностного зондирования предназначены для изучения сред-диэлектриков по изменению диэлектрической проницаемости и/или электропроводности. Чаще всего георадары применяются для инженерно-геотехнического обследования грунтов и неразрушающего контроля (неметаллических) строительных конструкций.

Принцип действия большинства современных георадаров^[1] тот же, что и у обычных импульсных радаров. В изучаемую среду излучается электромагнитная волна, которая отражается от разделов сред и различных включений. Отраженный сигнал принимается и записывается георадаром.

В настоящее время большинство серийно производимых радаров можно сгруппировать в несколько подтипов, которые отличаются основными принципами функционирования:

стробоскопические георадары: такие радары испускают преимущественно импульсы с небольшой энергией, около 0.1-1 мкДж, но таких импульсов испускается довольно много 40-200 тысяч импульсов в секунду. Используя стробоскопический эффект можно получить очень точную развертку — радарограмму во времени. Фактически усреднение данных с огромного числа импульсов позволяет существенно улучшить отношение сигнал/шум. В то же время, мощность в 0.1-1 мкДж накладывает серьёзные ограничения на глубину проникновения таких импульсов. Обычно такие радары используют для глубин зондирования до 10 метров. Однако, в отдельных случаях «пробивная» способность достигает более 20 метров.

слабоимпульсные радары: такие радары испускают существенно меньше 500—1000 импульсов в секунду, мощность каждого такого импульса уже существенно выше и достигает 100мкДж. Оцифровывая в каждом таком импульсе одну точку с разным сдвигом от начала, можно получить радарограмму во временной области без стробирования. В то же время такой аппарат позволяет снимать около одной радарограммы в секунду и практически не позволяет использовать усреднение для улучшения отношения сигнал/шум. Это позволяет получать радарограммы с глубин в десятки метров, но трактовать такие радарограммы может только специально обученный специалист.

сверхмощные радары с разнесенными антеннами: такие радары испускают только несколько импульсов в секунду, но энергия импульса достигает 1-12 Дж. Это позволяет значительно улучшить отношение сигнал/шум и динамический диапазон георадара и получать отражения от многих глубинных слоев или работать на тяжелых и влажных грунтах. Для обработки радарограмм требуется специальное программное обеспечение, которое производители таких георадаров поставляют в комплекте с георадаром. К недостаткам мощных радаров можно отнести опасность радиооблучения биологических объектов и значительную (до 2-3 метров от поверхности) «мертвую» зону. Существует альтернативное мнение по вопросу радиооблучения биообъектов сверхмощными георадарами. Обычный георадар снимает одну запись за множество запусков (это связано с проблемами оцифровки сигналов). Сверхмощный — делает всего несколько запусков в секунду, (это привело к тому, что для этих георадаров пришлось разрабатывать систему оцифровки сигналов не связанную со стробоскопическим преобразованием). Если подсчитать излучённую георадаром энергию за секунду, получится что обычный георадар стреляет очень часто, но небольшими импульсами. А сверхмощный выдаёт большой по амплитуде импульс, но делает это редко. Разница параметров такова, что во втором случае на биообъект падает меньше излучённой энергии.

Для всех вышеперечисленных типов радаров имеется возможность использования одного или нескольких каналов. В этом случае условно можно разделить все эти георадары на ещё несколько классов:

одноканальные георадары: в таких георадарах имеется один передатчик и один приемник, большинство компаний производителей георадаров имеют одноканальные георадары.

многоканальные парные георадары: в таких георадарах имеется несколько пар приемник-передатчик, так что съемка геопрофиля с каждого канала происходит одновременно. Такие системы распространены у многих зарубежных производителей, которые специализируются на геопрофилировании дорожных покрытий. Такая система фактически содержит несколько одноканальных георадаров и позволяет в разы уменьшить время профилирования. Недостатком таких систем является громоздскость (они в разы больше одноканальных) и высокая стоимость.

многоканальные георадары с синтезированной приемной апертурой: это наиболее сложный тип георадаров, в котором на одну передающую антенну приходится несколько приемных, которые синхронизированы между собой. Фактически такие георадары представляют собой аналог фазированной антенной решетки. Основным преимуществом таких систем является гораздо более четкое позиционирование объектов под землей — фактически они работают по принципу стерео зрения, как если бы у радара было бы несколько глаз-антенн. Основным недостатком таких систем является очень сложные вычислительные алгоритмы, которые необходимо решать в реальном времени, что приводит к использованию дорогих электронных компонент, обычно на основе FPGA и GPGPU. Обычно такие системы применяются только в сверхмощных георадарах с разнесенными антеннами. В то же время, такие системы более помехоустойчивы и позволяют получать наиболее точную картину распределения диэлектрической проницаемости под землей.

См. также

Литература

Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / Под ред. Гринева А. Ю. — М.: Радиотехника, 2005.-416 с.: ил. ISBN 5-88070-070-4
Подповерхностная радиолокация / Под ред. Финкельштейна М. И. — М.: Радио и связь, 1994

Примечания

↑ [1] — видео о принципах действия

Ссылки

wikiredia.ru

Приборы для поиска и диагностики подземных инженерных коммуникаций

Третий глаз (Часть 2)

Существует множество моделей георадаров и термоизмерительных приборов с различной точностью показаний, быстродействием, функциональными возможностями и, конечно, ценой.

Георадары (радиолокаторы)

Георадиолокация (подповерхностное радиолокационное зондирование; англ. – ground-penetrating radar, GPR) – геофизический метод, основанный на излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от различных объектов зондируемой среды. Исследуемой средой может быть земля, вода, стены зданий и т. п. Волны отражаются от границ, на которых меняется плотность, влажность, диэлектрическая проницаемость, электропроводность и др. характеристики материалов. Наиболее распространенное название прибора, в котором реализуются принципы георадиолокации, – георадар.

Можно сказать, что георадар – это радиолокатор, который в отличие от классического, используется для зондирования исследуемой среды, а не воздушного пространства. Современные георадары – это либо легкие переносные приборы, либо выполненные в виде небольшой колесной тележки размером с газонокосилку.

За последние годы интерес к использованию георадаров постоянно растет. Георадар позволяет получать инженерно-геологическую информацию: определять толщину конструктивных слоев дорожной одежды, глубины промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях, содержания влаги в грунте, качество и состояние бетонных конструкций (пустоты, трещины), а также находить неметаллические подземные коммуникации, обнаруживать утечки из нефте- и водопроводов и т. д.

Компоненты георадара

Основные элементы георадара – импульсный генератор с передающей антенной, приемная антенна, блок регистрации, в котором производится усиление и обработка сигналов, поступающих с приемной антенны, и блок управления, который синхронизирует работу всей системы. Разъемная конструкция приемной и передающей антенн позволяет работать в режиме зондирования, когда передающая антенна неподвижна, а приемная перемещается. Передающих антенн может быть две-три, для разных диапазонов рабочей частоты и глубины проникновения сигнала, например, при частотах от 1000 до 250 МГц обеспечивается глубина проникновения от 0,25 до 15 м. Выполняя поиск подземных инженерных коммуникаций георадаром, обычно используют частоту 400 МГц для того, чтобы сканировать грунт через почву, асфальт и бетон, однако каждый раз требуется подбирать антенну, лучше всего принимающую сигнал. Георадар, например, позволяет обнаружить объекты размером 5 см на глубине до 2 м; 10–20 см – на глубине 3–5 м и 1–2 м – на глубине 20–60 м. С уменьшением частоты увеличивается глубина проникновения сигнала, но ухудшается разрешение получающегося изображения (профиля). И наоборот, чем выше будут частоты, тем меньше глубина проникновения сигнала, но лучше разрешение полученной на жидкокристаллическом экране картинки. Экран может быть цветным и обеспечивать хорошую видимость даже при прямом солнечном освещении.

Современные георадары могут быть многоканальными, оснащенными несколькими парами приемник–передатчик, за счет чего обеспечивается одновременная съемка геопрофиля с каждого канала. Использование такого прибора позволяет в несколько раз быстрее выполнять геопрофилирование дорожных покрытий. Однако такие приборы дороже и имеют бóльшие габариты и массу по сравнению с простыми одноканальными георадарами.

Выпускаются также многоканальные георадары, у которых на одну передающую антенну приходится несколько приемных. Такие приборы как бы за счет «стереоэффекта» локации сигналами с нескольких антенн обеспечивают более высокую помехоустойчивость и точность позиционирования подземных объектов. За счет возможности принимать два сигнала с различной частотой на одну антенну георадар может выявлять более широкий ряд подземных коммуникаций. На традиционно используемой частоте можно обнаруживать объекты, находящиеся на большей глубине, в то время как на второй частоте выявлять объекты, находящиеся ближе к дневной поверхности. Информация на экране прибора может представляться в двухмерном и трехмерном изображении. К их недостаткам относятся высокая стоимость и сложность электронной аппаратуры, обрабатывающей синхронизированные сигналы.

Как работают георадары

Георадар перемещается по прямой, во время движения прибор через равные промежутки времени генерирует сигналы, принимает отраженные сигналы и регистрирует время прохождения сигнала, вычисляя глубину залегания объектов. Поскольку скорость прохождения сигналов в разной среде различается, перед началом съемки может выполняться калибровка прибора. Данные локации, собранные вдоль прямых линий, позволяют получить вертикальные срезы обследуемой среды или объекта.

Перемещение оператором георадара на колесной тележке упрощает позиционирование прибора, поэтому георадары часто выпускаются на колесах наподобие газонокосилки. При вращении колес одометр подает управляющий сигнал на георадар для сбора данных через одинаковые расстояния, пройденные по поверхности, даже если скорость перемещения непостоянная. При остановке тележки георадар не посылает сигналов.

Для интерпретации результатов обследования георадаром требуются определенный опыт и знания. Однако производители этого оборудования постепенно модернизируют его: у приборов не только увеличивается объем памяти для записи результатов, но и совершенствуется электронная часть, они становятся удобнее в использовании. Отмечается, что в случае, когда исследуемый объект перекрыт сверху некими металлосодержащими предметами – стальными листами, железобетонными плитами, георадар может не «увидеть» его.

Преимущества и недостатки георадаров

Георадары обеспечивают более широкие возможности по определению местоположения подземных коммуникаций по сравнению с электромагнитным методом разведки. Они способны обнаруживать трубы и другие инженерные коммуникации из любых материалов, которые сложно или даже невозможно найти другими способами, выявляют любой твердый предмет, отличающийся по плотности от окружающего грунта, и даже очертания засыпанной траншеи, в которой уложена труба, также будут видны на экране георадара.

Для интерпретации полученной информации требуется специалист высокой квалификации и с большим опытом: вместе с нужными объектами георадары обнаруживают под землей крупные камни и другие посторонние предметы; чтобы различить их на экране, требуется навык.

Пожалуй, наибольшим недостатком георадаров является то, что они не работают в плотных грунтах. Это ограничивает возможность их использования для поиска подземных коммуникаций. Например, георадары не могут выявить керамические трубы в глинистых почвах, потому что границы между керамикой и глиной прибор не «увидит», довольно трудно различить пластиковые трубы с водой в плотном грунте – влажной глине и земле. Высокая проводимость мелкозернистых осадочных пород – глины и наносов, а также высокий уровень грунтовых вод резко снижают возможности прибора, а скальные и разнородные осадочные породы рассеивают его сигнал. Также может быть сложно определить подземные кабели, находящиеся внутри оболочки большого диаметра, в таких случаях георадары необходимо дополнить другой локационной аппаратурой.

Этот прибор часто требует больше времени для обработки данных по сравнению с простой техникой магниторазведки. Относительно высокое потребление энергии неудобно для работ в поле. К тому же стоимость георадара, как правило, выше, чем у приборов магниторазведки. Некоторые специалисты даже считают нецелесообразным использовать этот метод для ежедневной работы из-за сложности и высокой стоимости аппаратуры и зависимости результатов от условий применения.

Термоизмерительные приборы

Еще один метод выявления местонахождения коммуникаций и дефектов в них основывается на измерении температуры в тех случаях, когда применять другие методы затруднительно по причине высоких помех и температура кабеля, трубопровода или вытекающей через поврежденное место жидкости отличается от температуры окружающего грунта. Для измерения температур используются контактные термометры с погружными зондами, пирометры и тепловизоры.

Термометры с погружными зондами – наиболее простые приборы контактного действия. Зонд погружается в грунт в различных местах, и с экрана прибора считывается температура, точки с максимальной температурой укажут трассу трубопровода или кабеля, место утечки. Диапазон измеряемых температур, положительных и отрицательных, очень высок и перекрывает практически все потребности в строительной и коммунальной сферах.

Пирометры – приборы бесконтактного действия, измеряющие интенсивность теплового излучения: волны попадают на пирометрический датчик, в котором волновая энергия преобразуется в электрическую. Приборы имеют хорошее быстродействие, просты в использовании и сравнительно доступны по цене. Расстояние, с которого ими можно измерять, составляет обычно до 3 м. Диапазон температуры также достаточно широк для строительной и коммунальной отраслей: от +300… +400 до –50 °С.

Пирометры бывают инфракрасными и оптическими. Инфракрасные пирометры имеют серьезные недостатки: результаты измерений зависят от отражательной способности поверхности объекта, т. е. два разных объекта, имеющие одинаковую температуру, но разную поверхность, например черную или блестящую, полированную или матовую, при измерении пирометром будут показывать разные значения температуры. Также точность измерений зависит от расстояния до объекта. Однако при измерениях в стандартных ситуациях, например, температуры поверхности грунта, в глубине которого находится трубопровод, когда важнее разница температур отдельных участков поверхности, а не абсолютные значения, пирометры будут давать приемлемые результаты.

Оптические мультиспектральные пирометры сложнее инфракрасных, поэтому они имеют меньше указанных выше недостатков, но зато они существенно дороже. Новейшие электронные пирометры имеют функции коррекции показаний и поэтому более точны, но еще дороже.

Тепловизоры – это разновидность пирометров. В этих оптико-электронных приборах спектр инфракрасного теплового излучения объекта сравнивается с эталонным, и по разнице рассчитывается температура. Это самые сложные, многофункциональные и дорогие из перечисленных выше приборов. Результаты измерений выводятся на ЖК-экран в виде очень наглядной цветной термограммы, на которой зоны с различной температурой показываются разными цветами и оттенками: от желтого до красного и синего. На более дорогих моделях цветовое изображение сопровождается цифровыми значениями температуры. Бюджетные варианты тепловизоров используются в комплексе с ноутбуком, на котором визуализируется картина измерений, выполненных прибором. Тепловизоры применяются не только для поиска кабелей, трубопроводов и утечек из них, но и для выявления неисправностей электросети: мест перегрева проводов и соединений в распределительных шкафах. Очень распространено применение тепловизоров для выявления мест утечки тепла из зданий и использования некачественных материалов. Чувствительность приборов очень высока и доходит до 0,025–0,05 °С.

Еще раз напомним, что среди перечисленных выше термоизмерительных приборов существует множество моделей с различной точностью показаний, быстродействием, функциональными возможностями и, конечно, ценой.

Следует подчеркнуть, что результативность этого метода при локации подземных кабелей и труб значительно зависит от воздействия таких факторов, как солнечный свет или затененность. Этим прибором невозможно определить глубину залегания объекта.

www.gruzovikpress.ru

Георадар — Википедия (с комментариями)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Георадар — GeoScanner-радиолокатор, для которого исследуемой средой может быть земля, грунт (отсюда наиболее распространенное название), пресная вода, горы.