Георадары - Реферат

Данная работа посвящена георадарам. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: 1) Познакомиться с понятием «георадар»; 3) Исследовать принцип действия георадара. Георадар - радиолокатор, который, в отличие от классического, используется для зондирования исследуемой среды, а не воздушного пространства. Для обработки радарограмм требуется специальное программное обеспечение, которое производители таких георадаров поставляют в комплекте с георадаром.Среди множества конкурентных преимуществ и особенностей можно отметить возможность проведения изысканий без нарушения целостности грунта, способность работать не только с землей, но и другими поверхностями (бетон, кирпич, натуральный или искусственный камень, лед и т.д.), компактность, оперативность при проведении работ и многое другое.

Данная работа посвящена георадарам. С каждым годом появляется все больше типов георадаров, а также программ для них.

Применение георадиолокационного сканирования является в наше время самым перспективным для успешного и точного определения различных характеристик исследуемого объекта, что стало возможным благодаря уникальной высокой разрешающей способности и помехоустойчивости прибора. В сравнении с другими ранее используемыми методами исследований, для работы георадара характерно быстродействие в сочетании с одновременно с низкой энерго- и ресурсозатратностью, поэтому прибор завоевал популярность в коммунальном хозяйстве, когда необходимо произвести поиск и обследование коммуникаций или поиск грунтовых вод.

Цель реферата: изучение георадаров. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: 1) Познакомиться с понятием «георадар»;

2) Рассмотреть конструкцию, историю развития, применение и виды;

3) Исследовать принцип действия георадара.

Понятие георадара

Георадар - радиолокатор, который, в отличие от классического, используется для зондирования исследуемой среды, а не воздушного пространства. Исследуемой средой может быть земля (отсюда наиболее распространенное название - георадар), вода, стены зданий и т. п.

История развития георадаров

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 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 применен 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 мерзлых пород - в 1975 году.

Следует указать на использование метода синтезирования апертуры в радиолокационной системе, установленной на борту космического корабля «Аполон - 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.

Конструкция георадаров

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.

Принцип действия георадаров

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 серьезные 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 100 МКДЖ . 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 - вплоть до километровой глубины - 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 сторобоскопическим преобразованием). Если подсчитать излученную георадаром энергию за секунду, получится, что обычный георадар стреляет очень часто, но небольшими импульсами. А сверхмощный выдает большой по амплитуде импульс, но делает это редко. Разница параметров такова, что во втором случае на биообъект падает меньше излученной энергии.

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 громоздкость (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 компонентов, 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.

Виды георадаров

Существует две классификации георадаров в зависимости от возможности использования одного или нескольких каналов и в зависимости от мощности сигнала: По количеству использования каналов георадары разделяются на следующие группы: 1) Одноканальные радары (радар оснащается только одним приемником и передатчиком);

2) Многоканальные парные радары (в состав радаров данного типа входит несколько приемников и передатчиков);

3) Многоканальные радары с синтезированной апертурой.

По мощности сигнала георадары подразделяются на следующие виды: 1) Стробоскопические (недорогие модели, предназначенные для работы на небольшой глубине);

2) Слабоимпульсные (наиболее распространенный тип георадаров, позволяющий проводить изыскания на глубине до 10 метров);

3) Сверхмощные (сложные приборы, оснащенные разнесенными антеннами, которые позволяют получать отражение на глубине даже нескольких километров).

Применение георадаров

Современные георадары являются универсальными приборами, которые имеют самую широкую область применения.

Их успешно используют в следующих сферах деятельности человека: · Поиск под землей, водой неметаллических и металлических предметов на большой глубине (в зависимости от модели георадара глубина исследования может достигать нескольких километров);

· Определение уровня грунтовых вод, промерзания грунта;

· Обнаружение в грунте подземных пустот, промоин;

· Проведение контроля качества покрытия автомобильных дорог.

В настоящее время георадары используются при эксплуатации автомобильных дорог для установления толщины конструктивных слоев дорожной одежды и мощности грунтов земляного полотна и подстилающего основания, пространственного расположения подошвы геологических слоев и уровня грунтовых вод (УГВ), определения толщины льда на зимниках, глубины промерзания дорожных конструкций, оценки устойчивости грунтов на оползневых участках, влажности грунтов, состояния бетонных конструкций и т.д.

Одной из главных потребностей в георадарах является обследование существующих автомобильных дорог, позволяющее на основе данных испытаний принять решение о выборе эффективных видов ремонтных работ. Особенностями применения георадаров в этом случае является возможность быстрого получение длинных и непрерывных профилей волнового изображения грунтово-гидрогеологического разреза в продольном направлении, а также на трудных участках и в поперечном направлении.

· Разнообразные инженерные работы

С помощью георадара помимо поиска инженерных подземных коммуникаций могут быть выполнены геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические задачи, включающие картирование поверхности коренных пород под рыхлыми осадками (песка, глины, мерзлых грунтов торфа и т. д.), определены уровни грунтовых вод и границы между слоями с различной степенью водонасыщения, толщина льда и снега, оценены мощности водного слоя и выполнено картирование поддонных отложений. При проведении инженерно-геодезических работ георадар обычно применяется для поиска и обследования локальных объектов, имеющих небольшую глубину залегания (0,2-15 метров), например, для поиска подземных полостей, обследования мостов и дорожного покрытия, картирования коммуникаций (трубопроводов и кабелей), обследования бетонных конструкций, засоленных почв, загрязненных почв и т. п., участков разреза с нарушенным естественным залеганием грунта - рекультивированных земель, засыпанных выемок, а также для профилирования дна водоемов и поддонных отложений, и других схожих задач.

· Археологические раскопки

Георадары также используются при проведении горных исследований, гляциологии, археологии, в судебной медицине, для картирования уровня грунтовых вод. В геологии - 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 - для определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды и качества уплотнения дорожно-строительных материалов, изыскания карьеров дорожно-строительных материалов, 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 - 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 других объектов коммунального хозяйства). В археологии - для нахождения археологических объектов и границы их распространения. При экологических исследованиях - для оценки загрязнения почв, обнаружения утечек из нефте- и водопроводов, мест захоронения экологически опасных отходов. Георадары используются также и силовыми структурами для обнаружения мин, контрабандных вложений и т. п.

Исследования георадар активно и успешно проводит и в сфере безопасности, где прибор позволяет успешно вести поиск и обнаружение не только неразорвавшихся боеприпасов, но и других взрывоопасных предметов. В условиях боевых действий с помощью георадара можно обнаружить скрытые и замаскированные сооружения. Незаменимо использование георадара в борьбе с терроризмом и контрабандной деятельностью. Георадар оказался востребованным и в работе министерства чрезвычайных ситуаций, когда специалисты этого ведомства используют его для проведения профилактических исследований, таких как проверка технического состояния гидротехнических сооружений, мостов, насыпей, железных и автомобильных дорог. Он стал незаменим при поиске и спасении людей, оказавшихся под завалами. Возможности георадарных исследований активно используются в криминалистике. Следственными органами активно применяется георадар для нахождения сокрытых улик на больших площадях. сигнал сверхмощный георадар канал

Несмотря на достаточно высокую стоимость, широкая сфера применения георадаров и их высокая эффективность во многом стали причиной высокого спроса. Среди множества конкурентных преимуществ и особенностей можно отметить возможность проведения изысканий без нарушения целостности грунта, способность работать не только с землей, но и другими поверхностями (бетон, кирпич, натуральный или искусственный камень, лед и т.д.), компактность, оперативность при проведении работ и многое другое. Некоторые более сложные модели георадаров позволяют осуществлять построение трехмерных моделей объектов, а также в режиме реального времени производить картографирование неоднородностей грунта.

Размещено на .ur