Основные принципы и применение георадиолокации

Введение

Георадиолокация (подповерхностное радиолокационное зондирование от англ. ground-penetrating radar, GPR) – это геофизический метод, который основан на использовании электромагнитных волн радиодиапазона для изучения строения подповерхностной среды в таких областях, как геология, строительство, сельское хозяйство, археология, криминалистика, безопасность и др. (рис. 1). Для этого используются электронные приборы, называемые георадарами (от англ. Geo – «Земля», radar – RAdio Detection And Ranging, то есть «радиообнаружение и определение дальности»).

Рис. 1. Основные области применения георадиолокации [6]

Современные георадары бывают очень разными по внешнему виду, размерам, устройству, решаемым задачам, точности выдаваемых результатов, стоимости и т.д. (рис. 2), но общий принцип их работы один и тот же.

Рис. 2. Некоторые примеры георадаров [4]

Основные элементы большинства георадаров – импульсный генератор с передающей антенной, приемная антенна и блок управления (хотя есть георадары, где имеется только одна антенна, выполняющая функции и приемной, и передающей). В импульсном генераторе с помощью перепадов напряжения генерируются сверхкороткие (на уровне наносекунд) импульсы электромагнитных волн метрового и дециметрового диапазонов, которые через передающую антенну излучаются в землю (или в строительные конструкции и т.д. – в зависимости от решаемых задач).

Проходя сквозь изучаемую среду, волны частично отражаются от границ раздела между материалами с разными электрофизическими свойствами (от границ между пластами различных грунтов, слоев с разной влажностью, от уровней подземных вод, пустот, металлических или бетонных предметов, валунов и т.д.) и в ослабленном виде возвращаются к поверхности, где улавливаются приемной антенной, преобразуются в цифровой вид, обрабатываются и запоминаются (рис. 3, 4).

Рис. 3. Блок-схема одного из типов современных георадаров [16]

Рис. 4. Принцип работы георадара [10]

При перемещении георадара, оснащенного датчиком перемещений и измерителем пути, по поверхности (или над поверхностью) исследуемой среды формируется совокупная запись принятых сигналов – георадиолокационный профиль, или георадарограмма. При этом в системе обработки данных с помощью специального программного обеспечения отфильтровываются все ненужные сигналы (прямые и др. волны) и помехи (рис. 5, 6), а для отраженных волн определяется время между излучением импульсов передающей антенной и приходом сигналов к приемной антенне (называемое также временем запаздывания принятых сигналов).

Рис. 5. Основные типы волн, улавливаемые приемной антенной, большая часть из которых отфильтровывается при обработке исходных данных с использованием современного программного обеспечения. Необходимо оставить только записи отраженных волн (такая волна показана красной стрелкой, идущей к приемной антенне) [7, 9]

Рис. 6. Полезную информацию несут георадиолокационные записи отраженных, а не, например, прямых волн [6]

Полученная георадарограмма выводится на экран монитора и запоминается. Горизонтальная ось на такой записи показывает местоположение георадара на поверхности, вертикальная ось – время прихода (запаздывания) отраженного сигнала. Его амплитуда зависит от глубины отражения и от материалов исследуемой среды. На изображении амплитуда представлена либо оттенками (интенсивностью) серого, либо цветом.

Правильно интерпретировать георадарограммы могут только опытные в этом отношении геофизики, поскольку такие записи не являются непосредственными изображениями подповерхностных объектов, а представляют собой волновые картины – двумерные записи трехмерных электромагнитных волн, отраженных от границ раздела между материалами с разными электрофизическими свойствами (рис. 7). Например, поперечное сечение захороненной трубы (или валуна) будет выглядеть на записи не как окружность, а как гипербола, вершина которой будет соответствовать ближайшей к поверхности точке этого объекта (рис. 8). Тут также надо понимать, что, если размер препятствия меньше длины распространяющейся волны или сравним с ней, то изображение на георадарограмме будет сформировано дифрагированной волной.

Рис. 7. Примеры интерпретации георадарограмм [12]

Рис. 8. Почему труба в поперечнике выглядит на георадарограмме не как окружность, а как гипербола [13]

Для не относительного, а абсолютного определения глубины залегания отражателя необходимо знать не только амплитуду и время запаздывания сигнала, но и скорость распространения волны в исследуемой среде. Эту скорость можно в среднем определить при калибровке прибора. Но для более точных определений важно использовать георадиолокацию в совокупности с другими методами – прежде всего с бурением скважин, между которыми проходит георадиолокационный профиль, а также с сейсмическим, электрическим зондированием и др. При дальнейшей совокупной обработке результатов можно получить приемлемые зависимости амплитуд сигналов от глубин их отражений, на основе этого достаточно точно вычислить расстояния до соответствующих границ раздела и построить вполне достоверный инженерно-геологический разрез.

Важно отметить, что чем больше частота и чем короче импульс волны, излучаемой передающей антенной, тем выше разрешающая способность полученных георадарограмм, но тем меньше возможная глубина зондирования (рис. 9). Поэтому при выборе частоты антенного блока всегда ищется необходимый компромисс в зависимости от решаемых задач и электрофизических свойств грунтов и других подповерхностных объектов. Для глубин более 5 м обычно выбирают низкочастотные антенны – от 40 до 150 МГц, для глубин от 5 до 1,5 м – среднечастотные (от 200 до 700 МГц), для глубин меньше 1,5 м – высокочастотные (от 1000 до 2000 МГц и больше). При этом в среднем можно обнаружить: объект размером 1 м и больше – на глубине до 20–25 м; размером 15–30 см – на глубине до 10 м; 10–15 см – до 5 м; 5–10 см – до 2 м; 3–5 см – до 1 м. Хотя, конечно, уже существуют георадары, в которых можно использовать различные комбинации антенн и исследовать подповерхностную среду на разных глубинах с хорошим разрешением при использовании одного и того же прибора, о чем более подробно будет рассказано в конце статьи.

Рис. 9. Чем больше частота и чем короче импульс волны, излучаемой передающей антенной, тем выше разрешающая способность полученных георадарограмм, но тем меньше возможная глубина зондирования (по [5])

Благодаря современным методикам радиолокации и соответствующему программному обеспечению стала возможной не только двумерная, но и трехмерная визуализации волновых картин (рис. 10).

Рис. 10. Пример трехмерной визуализации по результатам георадарного зондирования [11]

Преимуществами современного георадарного зондирования являются его сравнительно невысокая стоимость, большая скорость и непрерывность измерений, достаточно четкое определение границ раздела между разными видами грунта и другими объектами, компактность оборудования и возможность работать в стесненных городских условиях, на территориях со сложным рельефом, в труднодоступных местах (в том числе с поверхности пресной воды с использованием плавсредства или с борта летательного аппарата, например квадрокоптера или невысоко летящего самолета). Применение георадаров является неразрушающим методом и значительно удешевляет буровые работы, поскольку позволяет бурить меньше скважин благодаря прохождению георадиолокационных профилей между ними.

В то же время у георадиолокации есть следующие недостатки. При использовании этого метода требуется серьезная обработка результатов, для чего необходимо продвинутое программное обеспечение, однако и оно не всегда может справиться с некоторыми переотражениями, помехами и пр. Как уже отмечалось, для интерпретации таких псевдоизображений строения подземной среды, как радарограммы, требуются квалифицированные специалисты с большим опытом, но и тут могут присутствовать моменты субъективности. Металлы являются «непрозрачными» для георадиолокации, морская и схожая по составу соленая вода – почти «непрозрачной». Радиопрозрачными, хотя и по-разному, являются только материалы, обладающие свойствами диэлектриков. В глинистых, влажных и богатых органикой грунтах радиоволны довольно быстро затухают из-за достаточно высокой диэлектрической проницаемости (проводимости) этих материалов. Поэтому на возможности и результаты георадиолокации сильно влияют климатические условия, топография, биологическая активность и пр. Кроме того, по волновым картинам практически невозможно определить физико-механические свойства подповерхностных сред. Поэтому, как правило, георадарное зондирование используется либо для предварительных обследований, либо в комплексе с другими методами (инженерно-геологическим бурением, сейсморазведкой, электроразведкой и др.).

При этом развитие новых технологий позволяет все больше увеличивать возможности георадиолокации.

Существуют многоканальные парные георадары, в которых имеется несколько пар приемников и передатчиков, работающих на разных частотах, благодаря чему съемка вдоль профиля проводится одновременно каждой парой (на каждом канале). Это дает возможность эффективно выполнять сьемку с высоким разрешением на максимально возможную для георадаров глубину.

Разработаны и продолжают совершенствоваться также многоканальные георадары с синтезированной приемной апертурой, где на одну передающую антенну приходится несколько приемных антенн, синхронизированных между собой (то есть это аналог фазированной антенной решетки). Они также позволяют за один проход получать волновые картины подповерхностной среды с высоким разрешением на всю требуемую глубину. Основными преимуществами таких систем являются помехоустойчивость и повышенная точность определения положений объектов под землей благодаря их работе по принципу «стереозрения» (трехмерного радиовидения).

Резкий скачок в развитии геотехнического строительства, например сферы дорожного строительства и ремонта, привел к появлению новых задач, с которыми существующие промышленные георадары уже не справляются. Среди таких задач – обследования больших площадей вводимого дорожного полотна, повышение скорости обработки результатов, обеспечение полноты полученных данных. Эта ситуация потребовала от научно-производственных групп создания новых георадаров с еще более широкими возможностями.

Перспективным направлением является создание георадаров с антенными решетками, построенными по принципу «много приемников – много передатчиков» (от англ. Multiple Input – Multiple Output, MIMO). За счет перебора различных комбинаций приемников и передатчиков появляется возможность георадиолокационного зондирования по всей длине антенной решетки, что позволяет исследовать сразу широкую полосу (например, дорожного полотна) за один проезд. В отличие от активных фазированных антенных решеток (АФАР), для решеток MIMO в каждый момент времени работает только одна пара антенн, а радиоизображение получается за счет технологии синтезирования апертуры, при этом уменьшается как мощность излучения, так и стоимость системы в целом.

Основными преимуществами таких систем являются широкий динамический диапазон, помехоустойчивость и отсутствие «мертвых зон» на амплитудной карте (по ширине сканирования), которые присутствует в многоканальных парных георадарах. Широкий диапазон зондирования дает возможность одновременно проводить измерения с высоким разрешением на максимально возможную для георадаров глубину. Кроме того, системы на основе MIMO и АФАР обеспечивают повышенную точность определения расположения объектов под землей благодаря принципам трехмерного радиовидения.

Многоканальные приборы по сравнению с одноканальными являются более громоздкими и дорогостоящими, требуют достаточно сложных параллельных вычислительных процедур, выполняемых в реальном времени, и соответствующего программного обеспечения. Но уже сейчас появляются все более компактные и дешевые разработки.

Интересно, что помимо сверхкоротких импульсов есть и другие новые технологии генерации сигналов, излучаемых в исследуемую среду георадарами. Это могут быть радиоволны со ступенчато и плавно изменяемыми частотами. Такие системы дают гораздо больше информации для интерпретации волновых картин и даже позволяют судить не только об электрофизических, но и о других физических свойствах подповерхностных объектов, так как визуализируют фазовую структуру отраженных сигналов. Соответственно, качество интерпретации становится намного выше. Эти типы георадаров имеют более сложные конструкции по сравнению с импульсными аналогами и, соответственно, высокие цены. Однако развитие технологий в технике мобильной и беспроводной связи привело к значительному снижению их стоимости и размеров. Основным недостатком таких систем по сравнению с импульсными георадарами является маскировка слабых сигналов от удаленных объектов в исследуемой среде сигналами, получаемыми из-за сильной связи между антеннами и отражений от поверхности среды. В то же время динамический диапазон приемного тракта таких систем существенно больше, чем у импульсных систем. Это позволяет получать больше информации при том же диапазоне частот.

В качестве примера ультрасовременной георадиолокационной аппаратуры рассмотрим георадиотомограф ГРТ-ХХ, производимый в российском НПО «Терразонд». Он представляет собой многоканальный георадар на базе генератора линейно-частотно модулированного (ЛЧМ) сигнала. Антенная решетка ГРТ-ХХ состоит из распределенных приемных и передающих высокочастотных антенн широкого диапазона (с плавным изменением частот в диапазоне 500–3000 МГц). Она имеет модульную структуру и обеспечивает возможность наращивания ширины сканирования (с помощью линейной поляризации волн), а также объединения модулей в крест для существенного улучшения качества амплитудных карт (с помощью кросс-поляризации). Такая система осуществляет зондирование среды с разных ракурсов и позволяет одновременно проходить профили в количестве от 7 до 31 на ширину сканирования от 0,5 до 2,32 м с поперечным шагом между профилями 7,5 см.

Записи, полученные ГРТ-ХХ, пакетно обрабатываются с помощью специализированного программного обеспечения «GeoReader», которое обладает обширным набором функций для удобства интерпретации (в том числе выполняет различные атрибутные анализы и использует алгоритмы автоматического поиска неоднородностей, выделения границ в среде и пр.). Результаты могут быть представлены в виде набора стандартных радарограмм и т.д. (рис. 11). 

Рис. 11. Представление георадиолокационных данных в виде дорожных карт по ширине сканирования, радарограмм, а также трехмерного массива данных (облака точек) [14]

Для обнаружения и локализации неоднородностей могут быть также применены метод математической фокусировки и технология радара с синтезированием апертуры, когда все зарегистрированные решеткой высокочастотные сигналы суммируются в фазе для каждой задаваемой точки фокусировки с коррекцией существующего запаздывания. При этом из набора частотных данных синтезируется временной сигнал. Таким образом, фокусировка осуществляется путем последовательного суммирования принятых сигналов с выравниванием временных задержек импульсов, рассеянных точкой с заданными координатами. В принятый сигнал вносятся задержки, соответствующие суммарному времени прохождения сигнала от передатчика до объекта и обратно от объекта до приемника. После этого амплитуды сигналов, соответствующие рассчитанным задержкам, складываются. Полученный результат является точкой радиоизображения с соответствующими координатами. После проведения операции фокусировки для каждой точки выбранного объема пространства строится трехмерное радиоизображение. Следует отметить, что операция фокусировки проводится в частотной области с применением быстрых алгоритмов обработки, что позволяет реализовывать трехмерные томограммы исследуемого пространства в режиме реального времени.

Существенным преимуществом аппаратуры многоракурсного зондирования является возможность организации коммутации антенных пар в режиме измерения общей средней и общей глубинной точки (ОСТ и ОГТ). Например, используя специальные математические алгоритмы для обработки результатов, собранных по методу ОСТ, оператор может получить информацию по электрофизическим свойствам верхнего слоя сканируемой среды (толщине и диэлектрической проницаемости) с достаточно высокой точностью, практически исключая необходимость физического проведения частых отборов образцов керна.

В последних версиях георадиотомографической аппаратуры ГРТ-3Х применяются антенные решетки с расширенным динамическим диапазоном, а также методика калибровки с выделением аппаратной функции для исключения эффекта маскировки от сигнала прямого прохождения между антеннами.

Стоит отметить, что на сегодняшний день цены на аппаратуру с цифровыми антенными решетками во многих случаях даже ниже, чем на многоканальные системы, построенные на моноимпульсных парных георадарных блоках, так как в последнем случае для каждой пары антенн, работающей на конкретной центральной частоте, необходим отдельный контур синтезирования сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала. 

Диапазон областей применения георадаров при инженерных изысканиях очень широк. Это прежде всего: изучение грунтовых и гидрогеологических условий по глубине и по площади; определение толщины льда и рельефа поверхности под ледниковым покровом; поиск отдельных предметов и инженерных сооружений под землей, под водой или под дном водоемов (например, кабелей, труб, археологических объектов и др.); изучение поддонных отложений; исследование многолетней мерзлоты и т.д. [1–20].

Источники

1. Аппаратура георадиотомографии ГРТ-3Х и ГРТ-81. Дата последнего обращения: 16.08.2020 URL: sibergeo.com.
2. Аппаратура многоракурсного георадиолокационного зондирования. Георадиотомограф ГРТ-ХХ // TerraZond. Дата последнего обращения: 16.08.2020. URL: terrazond.ru/.
3. Георадар – Ground-penetrating radar // Ru.Qwe.Wiki. Дата последнего обращения: 16.08.2020. URL: https://ru.qwe.wiki/wiki/Ground-penetrating_radar.
4. Георадар // Ru.Wikipedia. Дата последнего обращения: 09.08.2020. URL: ru.wikipedia.org/wiki/Георадар.
5. Георадарные изыскания // АРАКС. Дата последнего обращения: 10.08.2020. URL: rusgeoradar.ru/service/georadarnye-izyskanija/.
6. Георадары // ГеоЮг. Дата последнего обращения: 09.08.2020. URL: geoyug1.ru/magazin/folder/georadary-1.
7. Георадиолокация // Ru.Wikipedia. Дата последнего обращения: 09.08.2020. URL: ru.wikipedia.org/wiki/Георадиолокация.
8. Михнев В.А., Палто А.А. Расширение динамического диапазона радара со ступенчатой перестройкой частоты // NAUCHEBE.NET. 25.02.2013. URL: nauchebe.net/2013/02/rasshirenie-dinamicheskogo-diapazona-radara-so-stupenchatoj-perestrojkoj-chastoty/.
9. О георадиолокации // Library.Voenmeh.ru. Дата последнего обращения: 09.08.2020. URL: library.voenmeh.ru/jirbis2/files/materials/ifour/book2/book_on_main_page/12.1.1.htm.
10. Поисковый инструмент для профессионалов – георадар // MDREGION. Дата последнего обращения: 09.08.2020. URL: mdregion.ru/o-kladoiskatelstve/27-nowosti-poiska/1825-poiskovyi-instrument-dlya-professionalov-georadar.html.
11. Помозов В.В., Семейкин Н.П. Георадар как универсальный поисковый прибор // ГСИ. Дата последнего обращения: 10.08.2020. URL: gsi.ru/art.php?id=86.
12. Принцип работы и использование георадара // Redut-Security.ru. Дата последнего обращения: 09.08.2020. URL: redut-security.ru/english-printsip-raboty-i-ispolzovanie-geor.
13. Работа с георадаром // Geo-Scanner.ru. Дата последнего обращения: 09.08.2020. URL: geo-scanner.ru/rabota-s-georadarom/.
14. Романов Д.Б. Применение аппаратуры многоракурсного георадиолокационного зондирования для определения толщины асфальтобетона // Geoinfo.ru. 26.12.2019. URL: https://www.geoinfo.ru/product/romanov-dmitrij-borisovich/primenenie-apparatury-mnogorakursnogo-georadiolokacionnogo-zondirovaniya-dlya-opredeleniya-tolshchiny-asfaltobetona-41923.shtml.
15. Романов Д.Б., Зыков А.А., Федянин И.С., Сухобок Ю.А. Экспериментальные исследования возможности определения физических и электрофизических свойств многослойной среды с помощью радиоволновой томографии // Известия вузов. Физика. 2020. № 2. URL: journals.tsu.ru/physics/&journal_page=archive&id=1959&article_id=43685.
16. 16.Саев В. Аппаратура для георадиолокационных исследований // по М.Л. Владов, А.В. Старовойтов. Введение в георадиолокацию. М.: МГУ, 2005. URL: pandia.ru/text/77/481/24.php.
17. Сугак В.Г., Букин А.В., Васильева Е.М., Овчинкин О.А., Педенко Ю.А., Силаев Ю.С., Тарнавский Е.В., Бормотов В.Н., Сугак А.В. Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли // Радіофізика та електроніка. 2010. Т. 1 (15). № 3. URL: dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/105821/15-Sugak.pdf?sequence=1.
18. Что такое георадар и каков его принцип действия // Горная энциклопедия. 31.03.2011URL: news-mining.ru/analitika/year2011/month03/day31/CHto_takoe_georadar_i_kakov_ego_printsip_deystviya_/.
19. Что такое георадар и принцип его действия // Georadar-Service.com. Дата последнего обращения: 10.08.2020. URL: georadar-service.com/index.php?option=com_content&view=article&id=49&Itemid=56.
20. Якубов В.П., Шипилов С.Э. Радиоволновая томография. Достижения и перспективы. М.: Издательство НТЛ, 2014. 264 с.

Заглавный рисунок: Георадарограмма дна реки Амур у г. Хабаровска [7, 9] (ru.wikipedia.org/wiki/Георадиолокация; library.voenmeh.ru/jirbis2/files/materials/ifour/book2/book_on_main_page/12.1.1.htm).