Содержание к диссертации
Введение
1. Алгоритмы прогнозирования и обработки геофизических измешний параметров наземных аномалий в информационно-измерительных системах 9
1.1. Анализ задач, решаемых радиоволновыми системами поверхностного зондирования, и вариантов физико-геологических моделей изучаемых объектов 9
1.2.Методика расчета электромагнитных полей при подповерхностном зондировании. 22
1.3. Решение задач рассеяния ЭМП подземными аномалиями методами прикладной электродинамики 34
Выводы 52
2. Метод радиоволновой поляриметрии для обнаружения приповерхностных аномалий . 55
2.1.Обоснование метода наземной радиоволновой поляриметрии
2.2. Методы повышения эффективности обнаружения подповерхностных аномалий, основанные на поляризационном подавлении мешающих отражений 67
2.3.Метод компенсации затухания ЭМВ, отраженной от подповерхностного объекта 78
2.4. Анализ влияния многослойной среды на характеристики отраженного сигнала 82
Выводы 96
3. Аппаратура и результаты экспериментальных измерений 100
3.1 .Обоснование технических характеристик и состава аппаратуры для радиоволновых исследований подповерхностных аномалий 100
3.2. Методика поляриметрических измерений характеристик подповерхностных аномалий 114
3.3.Методика обработки и интерпретации результатов измерений 120
3.4. Рекомендации по увеличению РЛ контраста типовых РЛ целей, находящихся на земной поверхности 148
Выводы 152
Заключение 154
Список литературы 159
- Анализ задач, решаемых радиоволновыми системами поверхностного зондирования, и вариантов физико-геологических моделей изучаемых объектов
- Решение задач рассеяния ЭМП подземными аномалиями методами прикладной электродинамики
- Методы повышения эффективности обнаружения подповерхностных аномалий, основанные на поляризационном подавлении мешающих отражений
- Методика поляриметрических измерений характеристик подповерхностных аномалий
Введение к работе
Для решения геолого-разведочных задач, обнаружения и идентификации подповерхностных диэлектрических аномалий широко используются радиоволновые методы.
Круг задач, решаемых этими методами, постоянно расширяется, а именно, гидрологические, археологические, инженерно-геологические, геоэкологические, и гляционологические задачи, геодинамический мониторинг природных и искусственных сред и т.д. [1-15]. Для радиоволновой разведки диэлектрических аномалий (ДА) используют: возвратный, интерференционный и радиолокационный методы [15-20, 50]. Обнаружение заглубленных объектов системой подповерхностного зондирования (СЛЗ) осуществляется по данным обработки рассеянных аномалиями радиосигналов. Эффективность работы СЛЗ существенно зависит от правильного выбора параметров сигнала и методов его обработки определяемых электрическими характеристиками грунта, местоположением, материалом, формой и размерами обнаруживаемых объектов [50]. В отличие от прохождения в атмосфере в грунте электромагнитные сигналы претерпевают существенные дисперсионные искажения из-за частотной зависимости скорости распространения (показателя преломления) в грунте и изменчивости его профиля с глубинной. Пространственные вариации диэлектрической проницаемости грунта более значительны, чем в атмосфере. Неоднородности грунта приводят к сильному рассеянию сигнала и , следовательно, к высокому уровню помех на выходе приемной антенны. СЛЗ должны соответствовать взаимоисключающим требованиям при выборе длины волны по критериям минимума энергетических потерь и обеспечения предельной разрешающей способности. Работы Андреева Т.А. [1, 50], Шеммурина В.А. [40] позволили систематизировать теоретические и экспериментальные исследования по изучению особенностей распространения ЭМВ в слоистых средах и технологий радиоволнового зондирования подповерхностных аномалий (ППА). Достаточно детально изложено в работах Федынского В.В. Применение РВЗ в гидрогеологии и инженерной геологии представлено в работе [39] Черняка Т.Я. Интерес зарубежных авторов [2-35] к решению задач подповерхностного зондирования ДА подтверждает актуальность решения этих задач радиоволновыми методами. Однако, недостатком указанных работ является то, что эти методы предполагали извлечение информации о ППА лишь на основе измерения амплитуды и фазы одного элемента полной матрицы рассеяния.
Лишь с начала 1990-х годов появился интерес к радиоволновой поляриметрии [44-45] как самостоятельному методу наземной электроразведки. Поляризация сигнала вместе с его амплитудой, частотой, волновыми и угловыми характеристиками несет информацию о просвечиваемом пространстве, источнике и приемнике излучения, что повышает вероятность выявления аномалий и облегчает их идентификацию.
При этом используется отображение в поляризационных параметрах одной из важнейших характеристик сред и образовании- анизотропии электромагнитных и волновых свойств. Изучению поляризационных характеристик земных покровов посвящено ряд работ [74-78,82-89] отечественных и зарубежных [100-105] авторов. Однако распространение задела представленного в этих работах на решение задач подповерхностного зондирования практически отсутствует. Недостаточная изученность применения методов радиоволновой поляриметрии к решению задач обнаружения и идентификации подповерхностных аномалий, а также невозможность получения полных поляризационных характеристик (ПХ) без использования поляризационно-модулированных сигналов (ПМС) определяет актуальность задачи разработки поляризационных методов повышения контраста ППА и их идентификации на основе измерения поляризационных характеристик отраженных сигналов.
Недостаточная изученность применения методов радиоволновой поляриметрии к решению задач обнаружения и идентификации подповерхностных аномалий, а также невозможность получения новых поляризационных характеристик (ПХ) ..без использования поляризационно-модулированных сигналов (ПМС) определяют актуальность научно -технической задачи, заключающейся в разработке алгоритмов и устройств для информационно-измерительных систем, реализующих метод радиоволновой поляриметрии, для обнаружения и идентификации подповерхностных аномалий.
Объект исследования представляет собой информационно-измерительную систему, предназначенную для решения задач обнаружения и идентификации подповерхностных диэлектрических аномалий.
Предметом исследования являются алгоритмы и устройства измерения поляризационных характеристик подповерхностных аномалий.
Целью работы является повышение эффективности ИИС для обнаружения и геометризации подповерхностных аномалий на основе измерения их поляризационных характеристик и физической интерпретации результатов измерений.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач, составляющих основные этапы исследования:
Формализация физико-геологической модели объектов исследования.
Разработка методики расчета электромагнитных полей (ЭМП) при зондировании подповерхностных аномалий.
Выбор и обоснование метода радиоволновой поляриметрии и целесообразности его применения для решения задач подповерхностного зондирования.
Анализ и выбор методов подавления мешающих отражений и повышения контраста подповерхностных объектов.
Обоснование требований к информационно измерительной системе и состава аппаратуры для решения задач идентификации подповерхностных аномалий методом радиоволновой поляриметрии.
Разработка методики натурных измерения и обработки их результатов для обнаружения и идентификации подповерхностных аномалий.
Оценка достоверности разработанных методов радиоволновой поляриметрии на основе полевых испытаний.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
Определена методика расчета электромагнитного поля при его распространении в слоистых средах.
Проведен теоретический анализ особенностей рассеяния ЭМП подповерхностными аномалиями.
Разработаны поляризационные методы повышения контраста подповерхностных объектов и компенсации мешающих отражений.
Разработаны принципы построения ИИС для подповерхностного зондирования.
Разработаны методики проведения полевых испытаний обработки результатов измерений для идентификации подповерхностных объектов.
Практическая ценность работы заключается:
В решении важной научно-технической задачи анализа полей рассеяния подповерхностными диэлектрическими аномалиями, что является основой при определении требований к разработке ИИС для подповерхностного зондирования.
В разработке подходов при построении ИИС для радиоволновой поляриметрии и методик проведения натурных измерений, обработки экспериментальных данных и физической интерпретации результатов измерений.
Достоверность получаемых результатов подтверждается: -применением статистических методов радиолокационных измерений и электродинамических методов расчета электромагнитных полей рассеяния; -обработка экспериментальных данных и сопоставлением их с теоретическими результатами проводилась при использовании методов математической статистики; -публикацией основных положений работы в научно-технических изданиях.
Защищаемые положения и результаты. На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
Методика и результаты расчета электромагнитного поля при решении задач подповерхностного зондирования.
Метод радиоволновой поляриметрии для обнаружения и идентификации подповерхностных аномалий.
Поляризационные методы повышения контраста подповерхностных аномалий и компенсации мешающих отражений.
Принципы построения информационно-измерительных систем для подповерхностного зондирования диэлектрических аномалий.
Методика проведения полевых испытаний и обработки результатов измерений.
Результаты анализа натурных измерений, их графическая и физическая интерпретация.
Методической основой выполненной работы служит реализация принципов геметрического частотного радиозондирования на свободной поверхности геометрической среды или искусственных сооружений бесконтактными способами.
Работа состоит из введения, 3-х разделов и заключения.
Б первом разделе проведен анализ опыта, обоснование и разработки сисстем подповерхностного зондирования и проведена формализация физико-геметрических моделей объектов исследования. Проведен расчет электромагнитного поля системы излучателей расположенных на поверхности раздела двух сред. Представлена система дифференциальных уравнений и метод расчета ЭМП возбуждаемых излучателей в слоистых средах. На основе электродинамических методов дан анализ особенностей рассеяния ЭМП подземными аномалиями для рудной электроразведки и электромагнитном исследовании скважин. Даны рекомендации по определению глубины залегания верхней кромки пласта аномалии и выборы оптимальной длины зонда при исследовании скважин. Определены особенности распространения в грунте продольной и поперечной составляющей ЭМП в зависимости от частоты и диэлектрической проницаемости поглощающей среды и высоты подъема излучателя.
Во втором разделе дано обоснование требований к принципам построения информационно-измерительных систем. Обоснован метод радиоволновой поляриметрии, дана его электродинамическая и физическая интерпретация.
Предложен метод компенсации мощных отражений. Определены базовые выражения для оценки поляризационной анизотропии подповерхностных аномалий. Показаны возможности метода управления радиолокационным контрастом, метода ортогонализации и метода компенсации для повышения отношения сигнал шум на входе приемной антенны информационно измерительной системы.
В третьем разделе обоснованы требования к выбору характеристик приемо-передающих устройств информационно-измерительной системы для подповерхностного измерения параметров подповерхностных аномалий.
Разработана методика натурных измерений и методика обработки экспериментальных данных. Приведены экспериментальные измерения в интересах решения гидрогеологических задач и дана графическая и физическая интерпретация результатов натурных измерений.
Основные результаты работы коротко охарактеризованы в заключении, там же приведены результаты по их практическому применению.
Основные результаты работы коротко охарактеризованы в заключении, там же приведены результаты по их практическому применению.
Работа выполнена на кафедре «Электронно-вычислительные машины и АСУ» в Тульском артиллерийском инженерном институте, в соответствии с плановыми научно-исследовательскими работами.
Реализация полученных результатов.
Алгоритмы, методы и устройства для расчета ЭМП рассеяния подповерхностными аномалиями и полевых измерений ПХ подповерхностных объектов внедрены в ОАО ЦКБА, г.Тула, ФГУП КБП, г. Тула.
В учебном процессе по кафедре "Радиолокационных средств" Тульского АИИ реализована методика расчета ЭМП излучения линейными антеннами и их распространение в поглощающих средах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на НТК ТАИИ (2003г), НТК Тул. ГУ (2002г.), научно-технических конференциях НТО РЭС им, А.С. Попова в период с 2000 по 2005 г.
Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 16 печатных работах.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 164 страниц, 35 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 105 наименований.
Анализ задач, решаемых радиоволновыми системами поверхностного зондирования, и вариантов физико-геологических моделей изучаемых объектов
В последние годы интенсивно развиваются радиоволновые методы подповерхностного зондирования заглубленных диэлектрических аномалий (ДА) [1—16]. Системы подповерхностного зондирования (СПЗ), реализующие эти методы, обычно используют радиоволны диапазонов длинных волн (частоты 0,156-1,25 МГц, 3-30 МГц, длины волн 100.. .10 м), ОВЧ (частоты 30...300 МГц, длины волн 10..Л м), УВЧ (300...3000 МГц, 1...10"1 м) и СВЧ (3...30 ГГц, 10" L10 "2м).
Цель применения СПЗ состоит в дистанционном обнаружении, определении координат и визуализации подповерхностных ДА, а также в выявлении их структурных и физических свойств. Целесообразность применения радиоволновых СПЗ обусловливается тем, что выявление подповерхностных ДА обеспечивается оперативно и без нарушения состояния зондируемой среды (неинва-зивно). Радиоволновые методы ПЗ широко применяются на практике при решении следующих задач: измерение толщины и оценка состояния толстых ледовых покровов [1 6]; измерение толщин, местоположения подповерхностных слоев, инородных включений, их структурных и электрических характеристик [1 — 6, 8, 10, 12,13,15]; локализация канализационных труб и коммуникационных сетей [1 - 5, 7 -14]; выявление в толще грунта неразорвавшихся снарядов и других боеприпасов [1, 2, 4, 7, 15]; разведка полезных ископаемых [1, 2, 5, 8, 16]; поиск захороненных органических тел [2, 7, 8, 19]; контроль за состоянием полотна дорог [1, 2, 5, 20, 21], управлением движения на дорогах и в охранной зоне наземного транспорта [22]. Показана возможность применения СПЗ для зондирования дна озер, приповерхностных слоев водоемов [2, 8], а также для решения других задач [1, 2, 8]. Обнаружение заглубленных объектов СПЗ осуществляется по данным обработки рассеянных аномалиями радиосигналов. Эффективность работы СПЗ существенно зависит от правильного выбора параметров сигнала и методов его обработки, определяемых электрическими характеристиками грунта, местоположением, материалом, формой и размером обнаруживаемых объектов.
Применение традиционных систем «атмосферной» радиолокации непригодно в подповерхностном зондировании [2, 7, 8] из-за существенных различий показателей (примерно на четыре и более порядков [2, 8]) по: дальностям зондирования (у атмосферных локаторов она простирается от единиц до сотен километров, в то время как у СПЗ — до нескольких метров); величинам ослабления в средах распространения (доли дБ/км в атмосфере и десятки дБ/м в грунте); размерам обнаруживаемых атмосферными локаторами объектов — самолетов, судов и т. д., в сотни и тысячи раз превышающим размеры аномалий, выявляемых СПЗ в грунте,— труб, кабелей, пустот и пр.; скоростям распространения (длина волны излучения в грунте в несколько раз меньше, чем в атмосфере при одинаковой частоте).
В отличие от прохождения в атмосфере в грунте электромагнитные сигналы претерпевают существенные дисперсионные искажения из-за частотной зависимости скорости распространения (показателя преломления) в грунте и изменчивости его профиля с глубиной. Пространственные вариации диэлектрической проницаемости грунта более значительны, чем в атмосфере. Нерегулярные неоднородности грунта приводят к сильному рассеянию сигнала и, следовательно, к высокому уровню помех на входе приемной антенны. Удовлетворительных результатов с применением атмосферных локаторов удалось добиться лишь при изучении ледниковых и снежных покровов в полярных районах [6, 8].
Системы подповерхностного зондирования должны соответствовать взаимоисключающим требованиям при выборе длины волны. Для минимальных энергетических потерь при распространении в грунте необходимо использовать низкочастотный, а для обеспечения предельной разрешающей способности при зондировании объектов с размерами порядка длины волны — высокочастотный диапазон с должной полосой частот. Обычно частотный спектр зондирующего сигнала выбирают в пределах участков с минимальным удельным ослаблением в грунте [1—4, 8].
Переход из сантиметрового и дециметрового диапазонов в метровый и декаметровыи не решает проблему разрешения по дальности. Удовлетворить необходимые требования удается с использованием сверхширокополосных радиосигналов, например, предельно коротких радиоимпульсов в виде однопери-одной волны (моноимпульса) длительностью в единицы наносекунд [8, 11, 23] или непрерывных сигналов с модуляцией частоты, например, по пилообразному (ПЧМ) или ступенчатому (дискретному — ДЧМ) закону с девиацией до сотен мегагерц [2, 4, 7]. Вместе с тем трудной задачей остается различение объекта на фоне помех из-за низкой угловой разрешающей способности.
Для уменьшения уровня просачивающихся сигналов из приемника в передатчик применяют разнесенный прием или прием по ортогональным поляризациям [1, 2, 9, 11, 25], а для подавления рассеянных поверхностью покрова
сигналов используют фильтрующие [27] и фокусирующие [И] свойства антенн с дополнительными отражателями [I], а также пространственную фильтрацию рассеянных сигналов по различию показателей преломления сред [24]. Для повышения угловой разрешающей способности широко применяются фокусировка антенн [1], апертурный синтез при перемещении приемной антенны [18], а также голографические методы [19] с компьютерной обработкой принятых сигналов практически в реальном масштабе времени. С применением корреляционной и корреляционно-спектральной [18, 19, 24] обработки рассеянных аномалией и шумовых (помеховых) сигналов удается существенно повысить отношение сигнал/помеха и пространственное разрешение, получить качественные псевдоцветовые двух- и трехмерные изображения заглубленных аномалий [2, 7 - 15, 20, 23, 27].
Минимальный радиус действия импульсных СПЗ ограничен длиной волны А в грунте. Для зондирования аномалий в грунте с глубинами меньше длины волны применяют направляющие системы, формирующие поверхностную волну, например однопроводную линию (ОШІ) — горизонтальную проволочную антенну, приподнятую над поверхностью земли с возбуждением импульсом тока [12, 13, 33 - 35]. Лежащая на поверхности земли двухпроводная линия в виде длинного коаксиального кабеля со щелью во внешней оплетке оказалась удобной для контроля за передвижением транспорта на дорогах с использованием эффекта Доплера [22].
Возможность при помощи просвечивания радиоволнами горных пород отделить одни горные породы от других и выявить в них разные включения установлена ещё в 1910 году немецкими учеными Г. Лови и Г. Леймбахом. Они же в 1912 году предложили интерференционный метод для поиска твёрдых полезных ископаемых и воды. В нашей стране наиболее полно возможности радиоволнового интерференционного зондирования (РВЗ) впервые были освещены в работе В. А. Шемшурина [40], отражающей результаты аппаратурно-методических исследований конца 50-х - начала 60-х годов нашего столетия. Он, в основном, занижался вопросами частотного варианта РВЗ и лишь упоминал, что геометрический вариант зондирования может давать аналогичные результаты. Следует отметить, что уже тогда К. Хмелевской указывал на один очень существенный недостаток частотного варианта РВЗ, а именно, на затруднения при выделении низкого по амплитуде отражённого сигнала от интенсивного прямого, что в ряде случаев исключает возможность получения интерференционных кривых для последующей их интерпретации [36]. В силу этого частотный вариант РВЗ успешно мог применяться лишь при поисках грунтовых вод в аридных районах на георазрезах с высокоомными осадочными породами.
Решение задач рассеяния ЭМП подземными аномалиями методами прикладной электродинамики
В практике поиска и разведки рудных месторождений применяются различные модификации электромагнитных методов в воздушном, наземном и подземном вариантах. Среди электромагнитных методов широкое распространение получили низкочастотные индуктивные методы. Объектом их применения являются аномалии электромагнитного поля от проводящих объектов, выделяемых на фоне нормального поля источника.
Учитывая широкую распространенность пластовых тел, здесь в качестве математической модели рудного включения рассмотрен пласт конечной мощности и электропроводности (цилиндрическое тело с прямоугольным сечением), погруженный в однородное проводящее полупространство. В качестве источника возбуждения рассматривается плоская Е-поляризованная волна, которая в большинстве случаев достаточно хорошо аппроксимирует нормальное поле. Если электропроводность пласта очень велика, то целесообразно считать пласт идеально проводящим. Наиболее типичной моделью в данном случае является идеально проводящая бесконечно тонкая полоса, аппроксимирующая рудные тела жильного типа.
Постановка задачи. Пусть имеется слоистая среда: верхнее полупространство - воздух с проводимостью а0 (которая будет положена нулю), нижнее полупространство - вмещающая среда с проводимостью Т\. Магнитная проницаемость среде постоянна и равна [А.
В нижнее полупространство погружено в цилиндрическое тело прямоугольного сечения с проводимостью а2 (рис. 1.5а). Сечение тела с плоскостью х=0 обозначим S, а контур сечения - С. Диэлектрическая проницаемость е среды в силу малости токов смещения положена равной нулю.
Уравнение (1.46) можно свести к системе линейных алгебраических уравнений. Для этого разобьем прямоугольник S на элементарные прямоуголь -3? ники со сторонами yn=const, zn= const (Kn N, Km M). Проводя дискретизацию, применяя кусочно-постоянную аппроксимацию искомой функции, получим следующую систему линейных алгебраических уравнений относительно значений искомой функции U(M) в узлах сетки (точках qy).
Подынтегральное выражение в формуле (1.48) имеет логарифмическую особенность при совпадении аргументов. Если воспользоваться интегральным представлением для фундаментального решения G(M,P), то можно провести интегрирование по координатам у0 и z0 в явном виде и матричные элементы Fymn представить как однократные интегралы по спектральному параметру %. Отметим также, что при возбуждении плоской электромагнитной волной, нормально падающей на дневную поверхность z 0, область S, на которой решается интегральное уравнение, может быть уменьшена вдвое (в силу симметрии среды и электромагнитного поля относительно линии у—0).
Исследование, аномальных полей от локальных объектов конечных размеров и электропроводности в среде конечного сопротивления в поле плоской электромагнитной волны представляет большой практический интерес. Оно может служить основой для разработки приемов количественной интерпретации аномальных полей в индуктивных методах электроразведки, в которых возбуждающее поле аппроксимируется полем плоской волны (наземные и воздушные варианты методов длинного кабеля (ДК), переменного естественного электромагнитного поля (ЕЭМП), незаземленной петли и др.).
Разработанные методы и алгоритмы позволили выполнить и провести исследования аномальных полей от пластовых тел конечных размеров с различной проводимостью. Расчеты проводились для следующих безразмерных параметров: %h- относительная глубина погружения верхней кромки пласта; 2%d - относительная мощность пласта; %1- относительный размер по падению; %z относительное расстояние профиля наблюдения от дневной поверхности; %у относительное горизонтальное смещение вдоль профиля; у- - - относитель ная электропроводность пласта; в - угол наклона полосы к вертикальной оси; к - модуль волнового числа вмещающей среды %-{щіа п-. Магнитная прони цаемость пласта и вмещающей среды одинаковы.
Величина и форма аномалии определяется частотой возбуждаемого поля, проводимостью пласта, его линейными размерами, глубиной погружения верхней кромки, а также зависит от расположения пласта по отношению к дневной поверхности (плоскость z=0). Кроме того, одновременно аномалия несет информацию о слоистой структуре вмещающей среды. Поэтому большой интерес представляет выяснение разрешающей способности индуктивных методов по определению электропроводности пласта, параметров залегания (глубина залегания и угол наклона) и линейных размеров пласта, а также оценка искажающего влияния дневной поверхности.
На рис. 1.6-1.9 приведены зависимости относительных аномальных магнитных полей Нуа и Нга от относительного горизонтального смещения zy&t1) вдоль профиля на дневной поверхности, иллюстрирующие влияние различных параметров на величину и форму аномалий. Кривые, приведенные на рис. 1.6а и 1 66 иллюстрируют влияние электропроводности пласта при вертикальном и пологом падении. Пунктирной кривой на рис. 1.6а показана соответствующая зависимость для идеально проводящей полосы, верхняя кромка которой совпадает с верхней кромкой пласта, а размер по падению у них одинаков.
Методы повышения эффективности обнаружения подповерхностных аномалий, основанные на поляризационном подавлении мешающих отражений
Итак, любой стабильной цели можно поставить в соответствие четыре числа. Это значит, что максимальная информация, которую можно получить из анализа отраженной ЭМВ, будет включать полную ЭПР ає, степень поляризационной анизотропности q и две координаты собственного поляризационного базиса на сфере Пуанкаре(или какую-то комбинацию из названных чисел). При изменении взаимного положения антенны и исследуемого объекта и частоты зондирующего сигнала каждой цели будет ставиться в соответствие четыре функции, зависящие от полярных углов а и /3 и частоты. Все это говорит о том, что стабильная цель в четырехмерном пространстве изображается точкой, которая при изменении параметров a, j3, ш будет описывать в этом пространстве некоторую фигуру. Упрощенную классификацию можно производить по степени анизотропности, которая, во-первых, инвариантна к выбору поляризационного базиса, а во-вторых требует для своего определения лишь относительных измерений.
При решении задач подповерхностного зондирования качество обнаружения и идентификации подземной аномалии определяется параметрами земной поверхности(её диэлектрической проницаемостью и волновым сопротивлением) и выбором параметров радиоволновой устаковки(частотой и поляризацией зондирующего сигнала). Глубина обнаружения объекта определяется параметрами первой зоны Френеля, а качество степенью подавления помеховых отражений от земной поверхности и усиления сигнала, отраженного от поверхностного объекта. Изменяя поляризацию зондирующего сигнала при полном поляризационном приеме можно определить нулевой поляризационный базис земной поверхности и, работая в этом базисе, существенно повысить радиолокационный контраст подземной аномалии [68]. Если поляризационные свойства подповерхностного объекта и земной поверхности различны, то поляризационная фильтрация дает хороший результат. Поскольку разрешение по дальности (глубине) и максимальная глубина зондирования определяется длиной волны радиоволновой установки и шагом разноса передающей и приемной антенн, то на практике целесообразно использовать непрерывный гармонический сигнал с ЛЧМ модуляцией. Применение сигнала с частотной модуляцией позволяет однозначно определить глубину зондирования, с которой связана степень затухания электромагнитной волны в земной поверхности и вводить усиление отраженного сигнала пропорционально расстоянию до цели. Данный способ компенсации затухания ЭМВ аналогичен временному автоматическому усилению. Учитывая, что применяя этот метод мы сохраняем информацию об относительной фазе, можно проводить измерения, необходимые для построения поляризационных сигнатур подповерхностных объектов. Таким образом, комбинированное применение методов поляризационной фильтрации мешающих отражений от земной поверхности и методы компенсации затухания ЭМВ в зависимости от расстояния до цели дает возможность обнаружения слабых сигналов, отраженных от подземных аномалий [69].
Вследствие изменения поляризации излучаемой волны происходит непрерывное изменение мощности сигналов, отраженных от радиолокационных целей. При каком-то виде поляризации отношение мощностей сигналов, отраженных от двух целей будет максимальным, а при каком-то - минимальным. Поиск таких видов поляризации и определяет один из основных путей увеличения (уменьшения) радиолокационного контраста. В данном случае под контрастом двух радиолокационных целей будем понимать отношение мощностей электромагнитных волн, отраженных от первой и второй целей СООТВЄТСТВЄНЖ [68,69].
Для получения количественных соотношений необходимо решить основную базовую задачу по определению зависимости радиолокационного контраста от вида поляризации облучаемой волны.
Методика поляриметрических измерений характеристик подповерхностных аномалий
Здесь нижние индексы характеризуют ориентировку излучающей антенны поперек линии установки - р, вдоль линии установки , а верхние индексы характеризуют ориентировку приемной антенны относительно направления линии установки по аналогии с излучающей антенной, а также -по максимуму и минимуму сигналов.
В качестве производного от первого способа поляриметрических измерений может рассматриваться способ круговых перемещений радиоволновой установки поочерёдно в двух взаимно ортогональных поляризационных базисах (третий способ). Круговые перемещения выполняются относительно геометрического центра установки (точки записи).
Предусматриваются две операции, выполняемые поочередно и заключающиеся в шаговом (угловой шаг от 5 до 30 в зависимости от требуемой детальности) развороте вначале экваториальной, затем осевой установок. Получаемые круговые диаграммы Ер и Es и поляризационных параметров сопоставляются с аналогичными диаграммами, характеризующими разрез на безаномальных участках. В качестве вспомогательного методического приёма( используемого, обычно, на начальном этапе отработки участка съёмки) укажем на определение оптимальной взаимной ориентировки плеч антенн по максимальной контрастности поляризационного параметра. Оптимальная ориентировка плеч антенн выбирается экспериментально, путем перебора возможных вариантов и расчёта поляризационных параметров на одной-двух стоянках установки.
Другим методическим приёмом, имеющим вспомогательное значение при интерпретации результатов измерений , является снятие диаграмм направленности излучающей и приемной антенн, получаемые при этом материалы позволяют судить об ориентировке протяжённых аномалеобразующих объектов, об анизотропии электромагнитных свойств среды и о её структурных особенностях. Снятие диаграмм направленности заключается в круговом перемещении на точке стояния одной из антенн с производством замеров напряженности поля через определённые порции угла, поворота (обычно 15 или 30) при неподвижно расположенной другой антенне. При этом фиксируется, наряду с частотой наблюдений принятый разнос антенн. Снятие диаграмм производится в аномальном поле, а для сопоставления и в безаномальном поле поляризационных параметров. При интерпретации материалов молсет также учитываться значение тока Ja в излучающей антенне, согласно показаниям индикатора.
Записи значений производятся на каждой точке стоянки или выборочно, в пределах интервалов нестабильности. Такие измерения характеризуют изменения сопротивления излучения передающей антенны, которые зависят от импедансных свойств верхних частей разреза. Теоретические аспекты и практические примеры применения импендансных явлений для решения гидрогеологических и инженерно-геологических задач приводятся в работе [39].
Рассмотрим технологические схемы поляриметрических радиоволновых наблюдений. Как уже отмечалось, наблюдения могут выполняться в вахтах как профильных, так и площадных съёмок, не исключается также вариант точечных наблюдений по нерегулярной сети. Выбор той или иной технологической схемы определяется конкретными условиями проведения работ и поставленными задачами. Так, например, в условиях плотной жилой застройки возможны лишь наблюдения по отдельным профилям, располагаемым на свободных участках, либо точечные наблюдения. Геометрические параметры съёмочной сети (шаг наблюдений, ориентировка профилей, расстояние между профилями при площадных работах др.) зависят от ожидаемых размеров поисковых объектов и определяются в соответствии с общепринятыми в полевой геофизике требованиями, изложенными, в частности, в работах [37,41]. Применяются две известные системы наблюдения-профилирования и зондирование, а также их модификации.
Радиоволновое профилирование (РВПР) представляет собой последовательное, с определенным шагом, перемещение радиоволновой установки вдоль линии наблюдений Разнос антенн излучателя и приемника при этом остаётся неизменным. Измерения выполняются на фиксированной частоте. Возможна отработка профиля одновременно на двух-трёх разносах и повторение измерений на иной частоте, что фактически означает уже переход к системе зондирования геометрического в первом случае и частотного во втором. В классическом одноразностном и одночастотном варианте профилирование позволяет охарактеризовать разрез до фиксированной глубины, определяемой в соответствии с данными раздела 1.1.3.
Рекомендуется применять профилирование в картировочных целях, а также на этапе выделения перспективных аномальных участков (интервалов), после чего переходить к наблюдениям по системе зондирования.
Все модификации аппаратуры РЧ1-РЧЗ рассчитаны на реализацию геометрического варианта радиоволнового зондирования (РВЗ). Элементы частотного варианта зондирования реализуются повторением наблюдений на нескольких фиксированных частотах. Выбор оптимальной частоты наблюдений (или ряда частот) осуществляется экспериментально, либо по опыту аналогичных исследований на близрасположенных площадях. Критерием выбора частоты является получение максимальной контрастности отображения поисковых объектов в волновом поле. Следует учитывать, что зондирование на разных частотах позволяет получить существенно разнородную информацию об объекте и является в этом смысле вариантом внутриметодного комплексирования [37,41].
Различаются две основные модификации РВЗ - зондирование симметричное и несимметричное. В первом случае изменение геометрического размера радиоволновой установки производится при одновременном перемещении антенн приёмника и излучателя симметрично относительно центра (точки записи). Во втором случае одна из антенн остаётся неподвижной , а вторая перемещается в соответствии с выбранной последовательностью разносов. Очевидно, что в этом случае точка записи "скользит» вдоль линии наблюдений. Осуществлением измерений по технологии зондирования достигается изучение радиоволновых петрофизических характеристик в зависимости от глубины проникновения поля в породный массив. Как при зондировании, так и при профилировании могут использоваться все указанные выше способы поляриметрических измерений, включая способ круговых перемещений.
Наиболее рациональным, с точки зрения достижения наивысшей производительности работ при детальных исследованиях, является модификация многоразыостного радиоволнового профилирования (МРВПР), позволяющая получить информацию с высоким разрешением как по глубине, так и по латерали и практически реализуемая через модификацию несимметричного зондирования по следующей технологии. В случае поляриметрии по первому способу производятся измерения осевой и экваториальной составляющих при одностороннем удалении подвижной антенны относительно другой неподвижной. По достижении подвижной антенной точи измерений, соответствующей максимальному разносу происходит синхронное перемещение обоих антенн вдоль профиля на величину шага и происходит следующий аналогичный цикл наблюдений. Результаты измерений представляются в виде двумерной матрицы, дискретность которой определяется методическими параметрами измерений и зависит от требуемой детальности получения информации. Такая матрица идентична геоэлектрическому разрезу и визуализирует распределение в разрезе по вертикали и латерали радиоволновых и петрофизических параметров среды. Координаты точек матрицы определяются по горизонтали положением середины установки зондирования, а по вертикали - радиусом первой зоны Френеля.
