Георадар

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

Конструкция георадара

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.

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.

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

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 40-200 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

• Георадиолокация

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

Ссылки

• [www.engr.uconn.edu/~lanbo/G228378Lect0514GPR.pdf Ground Penetrating Radar (GPR)] / Geology 228/378 Applied and Environmental Geophysics, Lecture 14  (англ.)

Отрывок, характеризующий Георадар

– Ну так до свидания, – сказал граф, совсем уходя из комнаты.
– Отчего вы уезжаете? Отчего вы расстроены? Отчего?.. – спросила Пьера Наташа, вызывающе глядя ему в глаза.
«Оттого, что я тебя люблю! – хотел он сказать, но он не сказал этого, до слез покраснел и опустил глаза.
– Оттого, что мне лучше реже бывать у вас… Оттого… нет, просто у меня дела.
– Отчего? нет, скажите, – решительно начала было Наташа и вдруг замолчала. Они оба испуганно и смущенно смотрели друг на друга. Он попытался усмехнуться, но не мог: улыбка его выразила страдание, и он молча поцеловал ее руку и вышел.
Пьер решил сам с собою не бывать больше у Ростовых.


Петя, после полученного им решительного отказа, ушел в свою комнату и там, запершись от всех, горько плакал. Все сделали, как будто ничего не заметили, когда он к чаю пришел молчаливый и мрачный, с заплаканными глазами.
На другой день приехал государь. Несколько человек дворовых Ростовых отпросились пойти поглядеть царя. В это утро Петя долго одевался, причесывался и устроивал воротнички так, как у больших. Он хмурился перед зеркалом, делал жесты, пожимал плечами и, наконец, никому не сказавши, надел фуражку и вышел из дома с заднего крыльца, стараясь не быть замеченным. Петя решился идти прямо к тому месту, где был государь, и прямо объяснить какому нибудь камергеру (Пете казалось, что государя всегда окружают камергеры), что он, граф Ростов, несмотря на свою молодость, желает служить отечеству, что молодость не может быть препятствием для преданности и что он готов… Петя, в то время как он собирался, приготовил много прекрасных слов, которые он скажет камергеру.
Петя рассчитывал на успех своего представления государю именно потому, что он ребенок (Петя думал даже, как все удивятся его молодости), а вместе с тем в устройстве своих воротничков, в прическе и в степенной медлительной походке он хотел представить из себя старого человека. Но чем дальше он шел, чем больше он развлекался все прибывающим и прибывающим у Кремля народом, тем больше он забывал соблюдение степенности и медлительности, свойственных взрослым людям. Подходя к Кремлю, он уже стал заботиться о том, чтобы его не затолкали, и решительно, с угрожающим видом выставил по бокам локти. Но в Троицких воротах, несмотря на всю его решительность, люди, которые, вероятно, не знали, с какой патриотической целью он шел в Кремль, так прижали его к стене, что он должен был покориться и остановиться, пока в ворота с гудящим под сводами звуком проезжали экипажи. Около Пети стояла баба с лакеем, два купца и отставной солдат. Постояв несколько времени в воротах, Петя, не дождавшись того, чтобы все экипажи проехали, прежде других хотел тронуться дальше и начал решительно работать локтями; но баба, стоявшая против него, на которую он первую направил свои локти, сердито крикнула на него:
– Что, барчук, толкаешься, видишь – все стоят. Что ж лезть то!
– Так и все полезут, – сказал лакей и, тоже начав работать локтями, затискал Петю в вонючий угол ворот.
Петя отер руками пот, покрывавший его лицо, и поправил размочившиеся от пота воротнички, которые он так хорошо, как у больших, устроил дома.
Петя чувствовал, что он имеет непрезентабельный вид, и боялся, что ежели таким он представится камергерам, то его не допустят до государя. Но оправиться и перейти в другое место не было никакой возможности от тесноты. Один из проезжавших генералов был знакомый Ростовых. Петя хотел просить его помощи, но счел, что это было бы противно мужеству. Когда все экипажи проехали, толпа хлынула и вынесла и Петю на площадь, которая была вся занята народом. Не только по площади, но на откосах, на крышах, везде был народ. Только что Петя очутился на площади, он явственно услыхал наполнявшие весь Кремль звуки колоколов и радостного народного говора.
Одно время на площади было просторнее, но вдруг все головы открылись, все бросилось еще куда то вперед. Петю сдавили так, что он не мог дышать, и все закричало: «Ура! урра! ура!Петя поднимался на цыпочки, толкался, щипался, но ничего не мог видеть, кроме народа вокруг себя.
На всех лицах было одно общее выражение умиления и восторга. Одна купчиха, стоявшая подле Пети, рыдала, и слезы текли у нее из глаз.
– Отец, ангел, батюшка! – приговаривала она, отирая пальцем слезы.
– Ура! – кричали со всех сторон. С минуту толпа простояла на одном месте; но потом опять бросилась вперед.
Петя, сам себя не помня, стиснув зубы и зверски выкатив глаза, бросился вперед, работая локтями и крича «ура!», как будто он готов был и себя и всех убить в эту минуту, но с боков его лезли точно такие же зверские лица с такими же криками «ура!».
«Так вот что такое государь! – думал Петя. – Нет, нельзя мне самому подать ему прошение, это слишком смело!Несмотря на то, он все так же отчаянно пробивался вперед, и из за спин передних ему мелькнуло пустое пространство с устланным красным сукном ходом; но в это время толпа заколебалась назад (спереди полицейские отталкивали надвинувшихся слишком близко к шествию; государь проходил из дворца в Успенский собор), и Петя неожиданно получил в бок такой удар по ребрам и так был придавлен, что вдруг в глазах его все помутилось и он потерял сознание. Когда он пришел в себя, какое то духовное лицо, с пучком седевших волос назади, в потертой синей рясе, вероятно, дьячок, одной рукой держал его под мышку, другой охранял от напиравшей толпы.
– Барчонка задавили! – говорил дьячок. – Что ж так!.. легче… задавили, задавили!
Государь прошел в Успенский собор. Толпа опять разровнялась, и дьячок вывел Петю, бледного и не дышащего, к царь пушке. Несколько лиц пожалели Петю, и вдруг вся толпа обратилась к нему, и уже вокруг него произошла давка. Те, которые стояли ближе, услуживали ему, расстегивали его сюртучок, усаживали на возвышение пушки и укоряли кого то, – тех, кто раздавил его.
– Этак до смерти раздавить можно. Что же это! Душегубство делать! Вишь, сердечный, как скатерть белый стал, – говорили голоса.
Петя скоро опомнился, краска вернулась ему в лицо, боль прошла, и за эту временную неприятность он получил место на пушке, с которой он надеялся увидать долженствующего пройти назад государя. Петя уже не думал теперь о подаче прошения. Уже только ему бы увидать его – и то он бы считал себя счастливым!
Во время службы в Успенском соборе – соединенного молебствия по случаю приезда государя и благодарственной молитвы за заключение мира с турками – толпа пораспространилась; появились покрикивающие продавцы квасу, пряников, мака, до которого был особенно охотник Петя, и послышались обыкновенные разговоры. Одна купчиха показывала свою разорванную шаль и сообщала, как дорого она была куплена; другая говорила, что нынче все шелковые материи дороги стали. Дьячок, спаситель Пети, разговаривал с чиновником о том, кто и кто служит нынче с преосвященным. Дьячок несколько раз повторял слово соборне, которого не понимал Петя. Два молодые мещанина шутили с дворовыми девушками, грызущими орехи. Все эти разговоры, в особенности шуточки с девушками, для Пети в его возрасте имевшие особенную привлекательность, все эти разговоры теперь не занимали Петю; ou сидел на своем возвышении пушки, все так же волнуясь при мысли о государе и о своей любви к нему. Совпадение чувства боли и страха, когда его сдавили, с чувством восторга еще более усилило в нем сознание важности этой минуты.
Вдруг с набережной послышались пушечные выстрелы (это стреляли в ознаменование мира с турками), и толпа стремительно бросилась к набережной – смотреть, как стреляют. Петя тоже хотел бежать туда, но дьячок, взявший под свое покровительство барчонка, не пустил его. Еще продолжались выстрелы, когда из Успенского собора выбежали офицеры, генералы, камергеры, потом уже не так поспешно вышли еще другие, опять снялись шапки с голов, и те, которые убежали смотреть пушки, бежали назад. Наконец вышли еще четверо мужчин в мундирах и лентах из дверей собора. «Ура! Ура! – опять закричала толпа.
– Который? Который? – плачущим голосом спрашивал вокруг себя Петя, но никто не отвечал ему; все были слишком увлечены, и Петя, выбрав одного из этих четырех лиц, которого он из за слез, выступивших ему от радости на глаза, не мог ясно разглядеть, сосредоточил на него весь свой восторг, хотя это был не государь, закричал «ура!неистовым голосом и решил, что завтра же, чего бы это ему ни стоило, он будет военным.