Георадары применяются в строительстве, при проходке тоннелей, автомобильных и железных дорог, подземных коммуникаций и пр.
Принцип действия
Работа радиолокационного прибора подповерхностного зондирования (в общепринятой терминологии - георадара) основана на использовании классических принципов радиолокации. Передающей антенной прибора излучаются сверхкороткие электромагнитные импульсы, имеющие 1,0-1,5 периода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Центральная частота сигнала определяется типом антенны.
Выбор длительности импульса определяется необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью прибора. Для формирования зондирующих импульсов используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжения (ударный метод возбуждения).
Излучаемый в исследуемый слой импульс отражается от находящихся в ней предметов или неоднородностей среды, имеющих отличную диэлектрическую проницаемость или проводимость, принимается приемной антенной, усиливается в широкополосном усилителе, преобразуется в цифровой вид при помощи аналого-цифрового преобразователя и запоминается для последующей обработки. После обработки полученная информация отображается на индикаторе.
Область применения
За рубежом интерес к использованию подповерхностного радиолокационного зондирования (Ground Penetrating Radar (GPR)) за последние 20 лет (судя по кругу работ) не являлся стабильным. Выйдя из стадии лабораторных разработок, GPR в 70-е гг. привлек к себе внимание, которое затем ослабло примерно на десять лет. В середине 80-х гг., в связи с бурным развитием электроники, вычислительной микропроцессорной техники и одновременным ростом потребностей в инженерной разведке, интерес к GPR снова возрастает, но, натолкнувшись на несовершенную технику обработки, снова несколько снижается. За последние три года заинтересованность в использовании GPR постоянно растет. Если раньше радару были посвящены редкие публикации в научных журналах, то теперь целые разделы конференций международных геофизических и инженерно-геофизических обществ типа SEG, EEAG, EEPG, EEGS и других организаций посвящены радарным исследованиям верхней части разреза. За такой короткий промежуток времени прошло уже пять международных конференций, посвященных исключительно GPR. Бурно развивается аппаратурная база. Кроме георадаров широкого применения, выпускается специализированная аппаратура для узких целей: работ в скважинах, шахтах, для дефектоскопии конструкций и т.д.
Для современных георадаров характерна универсальность, позволяющая использовать данные приборы в геологии, транспортном, промышленном и гражданском строительстве, экологии, археологии, оборонной промышленности и пр.
В геологии эти приборы применяются для построения геологических разрезов, определения положения уровня грунтовых вод, толщины льда, глубины и профиля дна рек и озер, границ распространения полезных ископаемых в карьерах, положения карстовых воронок и пустот.
В транспортном строительстве (автомобильные и железные дороги, аэродромы) георадары используются для определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды и качества уплотнения дорожно-строительных материалов, изыскания карьеров, оценки оснований под транспортные сооружения, определения глубины промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях, содержания влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях, эрозии грунтов на участках мостовых переходов.
В промышленном и гражданском строительстве, помимо всего вышеперечисленного, георадары нашли применение для определения качества и состояния бетонных конструкций (мостов, зданий и т.д.), состояния дамб и плотин, выявления оползневых зон, месторасположения инженерных сетей (металлических и пластиковых труб, кабелей и др. объектов коммунального хозяйства).
В решении вопросов охраны окружающей среды и рационального использования земель георадары используются для оценки загрязнения почв, обнаружения утечек из нефте- и водопроводов, мест захоронения экологически опасных отходов.
В археологии при помощи георадаров устанавливают места нахождения археологических объектов и границы их распространения.
Разработчики георадаров
Ведущими фирмами, занимающимися производством георадаров, являются GSSI (Нью Гемпшир, США), Sensor and Software Inc. (Канада), Era Technology (Великобритания) и MALA (Швеция), Radar Systems (Латвия), OYO corporation (Япония), Geozondas (Литва).
Крупнаякомпания Geophysical Systems, Inc. (GSSI) с 1970 г. занимается исследованиями, разработкой и производством георадарных систем, уделяя большое внимание усовершенствованию технологии работ с этими приборами. Оборудование GSSI имеет маркировку Sir systems. Известен целый ряд модификаций георадаров данной фирмы: Sir systems -2, -2Р, -3, -3R, -31, -10А, -10Н, -10В.
В СССР первый наземный радиолокатор с ударным возбуждением антенн был разработан в 1976-1977 гг. в проблемной лаборатории Рижского краснознаменного института инженеров гражданской авиации (РКИИГА). Подобные работы велись также в Ленинградском Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (ЛААНИИ).
В настоящее время компания Radar Systems (г. Рига) выпускает георадар «Зонд-12с» с различными антенными блоками, а также предлагает программное обеспечение для обработки результатов зондирования.
В середине 90-х годов НПО «ИНФИЗПРИБОР» (г. Троицк, Московская область) разработало переносной георадар «Грот», характеризующийся повышенной мощностью и имеющий дипольные неэкранированные антенны.
Георадары совместной разработки ГП НИИП и ООО «ЛОГИС»
С конца 80-х годов начались работы по созданию портативных георадаров в ООО «Логические системы» совместно с НИИ приборостроения им. В. В. Тихомирова (г. Жуковский, Московская обл.). В разработке антенн георадаров приняли участие специалисты кафедры распространения радиоволн МФТИ.
За это время было выполнено несколько НИР и ОКР в интересах различных ведомств. Среди них можно выделить разработку портативного георадара для обследования однородных грузов в таможенных органах РФ (шифр ОКР «ОКО» и «ЗОНД»). Созданный прибор представлял собой портативный георадар со сменными антенными блоками АБ-700 и АБ-1200, имеющими средние частоты 700 и 1200 МГц соответственно. Эта разработка послужила основой, на базе которой в дальнейшем был разработан и начал выпускаться ряд георадаров сначала типа «ОКО-М» с антенными блоками АБ-500, АБ-400, АБ-250, АБ-150 и АБД (дипольный вариант, шифр ОКР «ГЕОН»), а затем ряд георадаров «ОКО-М1».
Отличительной особенностью георадаров ряда «ОКО-М1» от предыдущего поколения «ОКО-М» является наличие полной оптической развязки по информационным и синхронизирующим цепям. Введение оптической развязки позволяет устранить помехи по кабельным цепям, а также уменьшает возможную паразитную модуляцию сигнала при перекосах антенн относительно зондируемой поверхности, связанных с неровностями верхнего слоя грунта.
В таблице приведена краткая информация о ряде георадаров последней модификации «ОКО-М1».
Приемная и передающая антенны оснащаются отдельными легкосъемными аккумуляторными блоками питания емкостью 2,2 А*час и напряжением 12 В. Для снижения энергопотребления включение всех основных узлов в приборе происходит только в те промежутки времени, когда осуществляется зондирование. Емкости аккумуляторов хватает более чем на 4 часа непрерывной работы.
В экранированных антенных блоках большого размера АБ-250 и АБ-150 в целях удобства транспортировки предусмотрена расстыковка приемной и передающей антенн для перевозки их в специальной транспортной таре. Разъемная конструкция приемной и передающей антенн позволяет работать в режиме зондирования, когда передающая антенна неподвижна, а приемная перемещается. В этом случае для запуска передатчика используется дополнительный оптический кабель.
Использование датчика перемещений двух типов и пакета программного обеспечения GeoScan обеспечивает получение площадных массивов данных с последующей обработкой и визуализацией этой информации в трехмерном виде.
Все варианты георадаров «ОКО-М1» в качестве устройства управления и отображения информации используют Note Book любого типа. При этом для них изготавливается индивидуальная подвеска. Для работы в полевых условиях вместо Note Book предусмотрен специальный блок обработки, с помощью которого можно осуществлять запись и первичную обработку полученных георадилокационных профилей.
Блок обработки работает со всеми типами антенн георадара серии «ОКО». Обмен данными между блоком обработки и персональным компьютером осуществляется через высокоскоростной порт Ethernet.
В настоящее время ведется разработка полнофункциональной версии блока обработки, оснащенного высококонтрастным цветным TFT-экраном, позволяющим работать даже в условиях яркого солнечного света. В такой модификации блок обработки позволит осуществить сбор, полную обработку и анализ полученных радарограмм.
По сравнению с традиционными компьютерами типа Note Book, блок обработки имеет ряд преимуществ: влагозащищенный корпус, герметичные кнопки управления, высококонтрастный экран, возможность работы при низких (до -20°С) температурах, отсутствие операционной системы Windows и, как следствие, отсутствие потерь информации, вызванных сбоем (зависанием) процессора.
Базовая версия пакета программного обеспечения GeoScan обеспечивает управление георадаром во всех режимах и обработку информации с использованием наиболее универсальных методов обработки без использования трехмерной графики.
Профессиональная версия пакета GeoScan также обеспечивает управление георадаром, но и предоставляет возможность провести практически все известные методы обработки георадарной информации, включая трехмерную визуализацию.
Результаты представления результатов зондирования нескольких параллельных профилей можно отображать на экране монитора в виде трехмерных изображений или в виде трех ортогональных проекций любого заданного объема.
Все выпускаемые георадары имеют гигиенические сертификаты и сертификаты соответствия.
Сейчас георадары активно используются силовыми и правоохранительными структурами для выполнения разного рода задач, связанных с поиском и обнаружением тайников и захоронений, а также выявления подкопов к особо охраняемым объектам.
Уже разработаны модификации георадаров высокого разрешения серии «ОКО» диаметром 5 см для использования в скважинах.
Специально для обследования строительных конструкций разработан антенный блок АБ-1700, позволяющий обнаруживать и документировать расположение арматуры и прочих протяженных и точечных объектов из металлических и неметаллических материалов, а также производить дефектоскопию строительных конструкций. Наличие встроенного датчика перемещения позволяет точно локализовать обнаруженные объекты. АБ-1700 также применяется для определения толщины асфальтового покрытия и выделения слоев в толще асфальта.
Перспективным направлением использования георадара является проект по созданию линейки из нескольких приборов (многоканальный георадар). Причем, при этом обеспечивается прием сигналов от одного передатчика на всю линейку приемников. Такой метод позволит за один проход получить многомерное томографическое изображение подповерхностного слоя земли высокого разрешения. Получение многомерной информации такого слоя позволяет существенно улучшить возможности обнаружения подповерхностных объектов.
Благодарим компанию «Lazerdist» за предоставленную информацию.