О георадиолокации
Георадиолокация — это геофизический
метод, основанный на излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации
сигналов, отраженных от различных объектов зондируемой среды.
Прибор,
в котором реализованы принципы георадиолокации,
называется георадаром. Основные его
элементы — импульсный генератор с передающей антенной, приемная антенна и
блок управления. 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.
История
Возможность
«просвечивания» горных пород с помощью радиоволн установлена ещё 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 мощность 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.
Типы георадаров
В настоящее время большинство серийно
производимых радаров можно сгруппировать в несколько типов, 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. 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.
Классы георадаров
Для всех вышеперечисленных типов
радаров имеется возможность использования одного или нескольких каналов. В этом
случае георадары можно разделить на 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. В то же время, такие системы более
помехоустойчивы и позволяют получать наиболее точную картину распределения
диэлектрической проницаемости под землей.
Современный георадар представляет собой сложный
геофизический прибор. 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
Работа георадара основана
на свойстве радиоволн, отражаться от границ раздела сред с различной
диэлектрической проницаемостью или проводимостью. В отличие от классической
радиолокации, в георадаре радиоимпульсы излучаются не
в свободное пространство, а в среды с большим затуханием радиоволн. Широко
используемые в обычной радиолокации радиоимпульсы (с несущей частотой от 5 ГГц
и выше) и методы их обработки не пригодны для подповерхностного зондирования,
т. к. не обеспечивают заданную глубину зондирования (из-за большой величины
затухания) и требований к разрешающей способности по глубине (из-за большой
длительности импульса). Поэтому в георадарах
применяются сверхширокополосные сигналы, состоящие лишь из 1-2 периодов
высокочастотных колебаний (однопериодные импульсы, или моноимпульсы).
Для формирования импульсов малой длительности
используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжения
с очень короткими фронтами (так называемый ударный метод возбуждения). Выбор
длительности импульса является компромиссом между необходимой глубиной
зондирования и разрешающей способностью прибора – чем короче импульс, тем выше
разрешающая способность, но меньше глубина зондирования. Существующие георадары, построенные по этому принципу, работают обычно в
диапазоне 10¸2000 МГц, при этом длительность зондирующего импульса
составляет 0,5¸10 нс. Такие сигналы имеют широкий спектр, и для их
обработки требуются широкополосные приемные системы с полосой 5¸3000 МГц.
Прямая обработка импульсов такой малой длительности
достаточно сложна. Поэтому для упрощения технических решений, обеспечивающих
прием и обработку широкополосных сигналов, используется стробоскопическое
преобразование, в процессе которого временной интервал принимаемой реализации разбивается
на необходимое количество точек, в каждой из которых значение сигнала
фиксируется в одном периоде зондирования. При этом короткий широкополосный
сигнал, поступающий на вход приемника, преобразуется в длительный сигнал
низкочастотного диапазона, обработка и отображение которого не представляет
технических трудностей.
Излученный передающей антенной в исследуемую среду
электромагнитный импульс отражается от находящихся в ней предметов (как
металлических, так и неметаллических), или любых неоднородностей, имеющих
отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость. Такими
неоднородностями могут быть пустоты, границы раздела слоев различных пород,
участки с различной влажностью и т.д.
Отраженный сигнал принимается приемной антенной,
преобразуется в цифровой вид и запоминается для дальнейшей обработки.
При перемещении георадара
по поверхности исследуемой среды на экран монитора выводится совокупность
сигналов (радарограмма или профиль), по которому
можно определить местонахождение, глубину залегания и протяженность объектов.
Необходимость дальнейшей обработки радарограмм объясняется несколькими причинами. Во-первых,
для решения инженерных задач необходимо иметь зависимость амплитуды сигнала от
глубины его отражения, тогда как исходная радарограмма
представляет собой зависимость амплитуды сигнала от времени отражения.
Во-вторых, необходимо избавляться от различного рода помех, скрывающих полезный
сигнал.
Обработка радарограмм
осуществляется в специальных программных комплексах: GeoScan32, ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ,
Крот, Easy3D, Prism. В научных целях используется
также система моделирования георадарных данных GprMax, основанная на методе конечных разностей, и свободно
распространяемый по лицензии GNU продукт MatGPR,
написанный на базе MATLAB.
Для обработки радарограмм требуется опытный
специалист.
