Содержание к диссертации
Введение
1 Теоретические основы георадиолокации 17
1.1 Физические основы построения и функционирования радаров подповерхностного зондирования 17
1.2 Восстановление характеристик исследуемой среды методами георадиолокации 21
1.3 Расчет диаграммы направленности электрического и магнитного диполя на границе двух сред 30
1.4 Оценка предельной дальности (глубины зондирования) радара и его разрешающей способности 41
1.5 Влияние характеристик среды на структуру отраженного сигнала 44
2 Обработка радиолокационных данных 64
2.1 Форма зондирующего импульса 64
2.2 Форма отраженных сигналов 67
2.3 Методы обнаружения и оценки параметров отраженных сигналов 69
2.4 Методология разработки программы сбора, обработки и визуализации георадарных данных 79
3 Методики наземного зондирования природных сред и их практическое применение 86
3.1 Общие рекомендации по постановке экспериментов по подповерхностному радиозондированию 86
3.2 Методика выбора характеристик георадара для решения поставленной задачи 88
3.3 Методика распознавания объектов на радарограмме
3.4 Особенности радиозондирования пресноводных водоемов с поверхности воды и льда 99
3.5 Экспериментальная проверка методики зондирования водоемов 107
3.6 Методика применения георадаров в полевой археологии 114
3.7 Особенности применения георадаров в строительстве 117
4 Особенности проведения экспериментов и обработки данных подповерхностного зондирования грунта планет с борта космического аппарата 121
4.1 Планирование эксперимента по зондированию поверхности Фобоса 122
4.2 Результаты обработки данных орбитального радара «Марсис» в миссии «Марс-Экспресс» 131
Заключение 145
Список использованных источников
- Восстановление характеристик исследуемой среды методами георадиолокации
- Оценка предельной дальности (глубины зондирования) радара и его разрешающей способности
- Методика распознавания объектов на радарограмме
- Результаты обработки данных орбитального радара «Марсис» в миссии «Марс-Экспресс»
Введение к работе
Актуальность работы
Подповерхностная радиолокация является одним из самых производительных и технологичных геофизических методов, применяемых для решения инженерно-геологических, гидрогеологических, экологических, геотехнических и планетологических задач. Области применения георадаров в настоящее время непрерывно расширяются. С улучшением технологий производства аппаратуры и появлением более производительных алгоритмов и средств обработки радиолокационных данных георадар становится одним из важнейших приборов неразрушающего контроля.
В космических исследованиях на данный момент подповерхностное радиозондирование является практически единственным доступным средством определения внутренней структуры космических тел. Основная проблема заключается в специфике используемых в практике подповерхностного зондирования сверхширокополосных (СШП) сигналов и сверхкоротких импульсов, требующих учитывать при разработке аппаратуры множество противоречивых факторов, связанных с повышением потенциальных возможностей радара. Таким образом, разработка георадаров и связанные с ней планирование и проведение экспериментов по подповерхностному радиозондированию является актуальной задачей, как в прикладном, так и в чисто научном аспекте исследования окружающей среды, как на Земле, так и на других планетах и спутниках.
Теоретические основы применения радиоволн для изучения геологических структур были заложены Г.Лови и Г.Леймбахом в 1910 г. С тех пор георадиолокация проделала большой путь и в теоретическом развитии и в практическом применении, как в России, так и в других странах. Разработан ряд георадаров широкого назначения, созданы программно-математические пакеты обработки данных георадиолокационных измерений, продолжают создаваться и совершенствоваться алгоритмы их сбора, обработки и отображения. Однако рядовой пользователь георадара порой испытывает затруднение при выборе типа георадара для конкретной практической задачи, при подготовке и проведении измерений, а также при анализе полученных результатов измерений. В данной работе приведены рекомендации и методики по подготовке и проведению экспериментов с георадарами, описаны результаты применения этих методик при решении практических задач.
Целью диссертационной работы является решение проблемы постановки и проведения экспериментов по подповерхностному радиолокационному зондированию природных сред и интерпретации полученных результатов, развитие методов радиозондирования поверхности Земли и ближайших небесных тел Солнечной системы, разработка методик сбора и обработки полученных данных при постановке конкретных экспериментов.
Реализация поставленной цели достигается на основе решения следующих задач:
-
Исследование зависимости диаграмм направленностей диполей от параметров среды и величины зазора между антенной и поверхностью среды. Анализ влияния характеристик среды на амплитуду и форму сигнала, отраженного из подповерхности.
-
Разработка алгоритмов и создание пакета программ сбора и обработки данных георадара, учитывающего специфику формирования и распространения сверхширокополосных сигналов в неоднородной среде.
-
Разработка методик зондирования природных сред: земных грунтов, водных сред с поверхности водоема и с поверхности льда, дистанционного зондирования грунта космических тел с борта космических аппаратов.
-
Проведение экспериментов по обнаружению и распознаванию скрытых подповерхностных объектов (на основе разработанных методик). Создание библиотеки радиолокационных изображений наиболее характерных типов подповерхностных объектов.
-
Разработка методики подготовки и проведения эксперимента по радиолокационному зондированию поверхности Фобоса в готовящейся миссии «Фобос-Грунт», обоснование выбора зондирующего сигнала, проведение моделирования процесса обработки отраженного сигнала с учетом шумов. Апробация разработанных алгоритмов на экспериментальных данных, полученных радаром «Марсис» в европейской межпланетной миссии «Марс-Экспресс».
Выполненные в рамках данной работы исследования соответствуют специальности 01.04.03 «Радиофизика», раздел 5 «Разработка научных основ и принципов активной и пассивной дистанционной диагностики окружающей среды, основанных на современных методах решения обратных задач. Создание систем дистанционного мониторинга гео-, гидросферы, ионосферы, магнитосферы и атмосферы. Радиоастрономические исследования ближнего и дальнего космического пространства».
Положения выносимые на защиту:
-
Созданный универсальный пакет программ обработки радиолокационных данных подповерхностного зондирования позволяет повысить потенциальные возможности радара и улучшить качество интерпретации получаемых результатов.
-
Разработанные методики подготовки, проведения и анализа полученных результатов экспериментов по радиолокационному зондированию различных твердых природных сред и пресноводных водоемов применимы для решения прикладных задач в археологии, строительстве, инженерной геофизике и других областях.
-
Разработанные методики позволяют оптимальным образом планировать и моделировать этапы подготовки, проведения и анализа полученных результатов в экспериментах по радиолокационному зондированию криолитосферы Марса и поверхности Фобоса.
Достоверность результатов работы обеспечивается следующими утверждениями:
-
Полученные результаты согласуются с теоретическими расчетами и в частных случаях с результатами, описанными в литературе;
-
Разработанные методики проверены на практике;
-
Результаты интерпретации экспериментальных данных в экспериментах по обнаружению скрытых подповерхностных объектов подтверждены раскопками, бурением, либо непосредственным наблюдением (экстраполяцией и интерполяцией по заведомо известным положениям исследуемого объекта).
Научная новизна и практическая значимость
Разработана универсальная программа сбора и визуализации георадиолокационных данных двухканального георадара в режиме реального времени. При непосредственном участии автора впервые изготовлен и испытан двухканальный георадар для археологических изысканий.
На основании анализа рассчитанных диаграмм направленности георадарных антенн при излучении в легкий грунт и воду показано, что при проведении георадарных измерений следует избегать отрыва антенны от поверхности исследуемой среды на величину более 0,1 длины волны.
Для интерпретации результатов подповерхностного зондирования создана библиотека радиолокационных изображений для наиболее характерных типов скрытых в грунте объектов.
Впервые предложена методика зондирования подповерхностной структуры грунта Фобоса организованным фазокодоманипулированным сигналом, излучаемым радаром, расположенным на борту космического аппарата (КА) с орбиты ожидания и с траектории посадки.
На основе анализа баллистических и навигационных данных разработана оптимальная схема экспериментов с длинноволновым планетным радаром (ДПР) в межпланетной космической миссии «Фобос-грунт».
Практическая значимость результатов работы. Разработанные методики использовались при проведении мониторинга дна водоемов, археологических раскопках, обследовании строительных площадок и полотна железных дорог, планировании и подготовке экспериментов по зондированию грунта в миссиях «Марс-96» и «Фобос». Результаты диссертационной работы могут быть использованы для разработки и модернизации программ сбора и математической обработки радиолокационных данных, для подготовки и проведения экспериментов по подповерхностному зондированию слабопоглощающих земных сред и грунта космических тел земной группы, а также для анализа и интерпретации данных измерений.
Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на научном семинаре 11-го отдела ФИРЭ РАН и на научных конференциях «Применение сверхширокополосных сигналов в радиоэлектронике и геофизике» (1991, г. Красноярск), «Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды» (1999, г. Муром), «Radar 97» (1997, Edinburgh), «Георадар в России 2000» (2000, г. Москва), «Георадар 2002» (2002, г. Москва), на 3-й международной конференции «Диагностика трубопроводов» (2001, г.Москва), на 4-й международной научно-практической конференции «Георадар-2004» (2004, Москва), на международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика 2005» (2005, г. Геленджик), на 2-й Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (2006, г. Муром), на 5-й Юбилейной Открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (2007, г. Москва), на Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий", (2008, г. Москва).
По теме диссертации опубликовано 26 работ – 5 статей в журналах (из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ), 1 статья в сборнике научных трудов, 20 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены либо лично автором, либо при его прямом участии. Автором разработаны программы сбора и обработки данных георадара, программы корреляционной обработки георадиолокационных данных радаров космического базирования, создан каталог радарограмм наиболее распространенных объектов подповерхностного зондирования. Интерпретация научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций, которым автор благодарен за плодотворную совместную работу.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 163 страницы, 69 рисунков и 4 таблицы.
Восстановление характеристик исследуемой среды методами георадиолокации
Основой метода георадиолокации служит отражение электромагнитной волны от границ между средами, имеющих различные диэлектрические свойства. Расположенная на поверхности изучаемой среды передающая антенна излучает электромагнитный импульс - радиоволны высокой частоты - от десятков МГц до единиц ГГц ( 10 МГц - 2 ГГц). Проходя в среду через приповерхностные слои, некоторая часть энергии волны отражается от слоев с разной диэлектрической проницаемостью [1]. На этом явлении основан метод обнаружения инородных предметов и включений в исследуемой среде [27]. При постановке задач подповерхностной радиолокации формулируются два взаимно исключающих требования [49]: 1) необходимо обеспечить относительно большую (в масштабах длины волны) глубину зондирования; 2) необходимо реализовать относительно малые значения разрешения по глубине. Опыт отечественных и зарубежных работ показал, что интервал частот 50-900 МГц является оптимальным при выборе компромисса между приемлемой глубиной зондирования и достаточно высокой разрешающей способностью для глубин от 0,1-0,2 до 10-15 метров [1,2] .
Современный георадар представляет собой радиолокатор для обнаружения неоднородностей (объемов с контрастной по отношению к окружающей среде диэлектрической проницаемостью) в средах со значительным поглощением и сильной дисперсией. Существуют несколько типов георадаров.
Георадары с ударным возбуждением импульса (классические георадары) наиболее просты в исполнении и используют методики обработки, широко развитые для сейсмоакустики. Наземные радиолокаторы подповерхностного зондирования, в которых применяется ударное возбуждение антенны, работают обычно в диапазоне частот 15-700 МГц [50,51]. Георадары с линейной частотной модуляцией более сложны в исполнении, они требуют специфической спектральной или корреляционной обработки, выполняемой либо аппаратно, либо программным комплексом. Преимущества их по сравнению с классическими: генерируемый сигнал не зависит от характеристик окружающей среды, существует возможность улучшения соотношения сигнал/шум за счет увеличения длительности зондирующего импульса без потери разрешающей способности.
Георадары со ступенчато изменяемой частотой требуют высокостабильных генераторов излучения в широкой полосе частот и сложной спектральной обработки. Преимущества: за счет накопления сигнала в длинном импульсе можно значительно улучшить соотношение сигнал/шум и, соответственно, увеличить глубину зондирования; при использовании антенн с широкой апертурой они позволяют получить хорошее разрешение на плоскости. Недостатки: большое время сбора данных (что ограничивает скорость перемещения), большой вес и энергопотребление. Кроме того, в георадарах со ступенчато изменяемой частотой особенно остро стоит проблема развязки между приемной и передающей антеннами.
Последующие утверждения в основном связаны с классическими георадарами (с ударным возбуждением импульса), как наиболее распространенными на данный момент. Как правило, в георадарах используются разнесенные передающая и приемная антенны (двухпозиционная или бистатическая локация) [1]. Генераторная часть прибора обеспечивает возбуждение зондирующих импульсов в излучающей антенне на заданных техническими параметрами частотах. За счет подключения антенн различной длины, можно менять центральную частоту зондирующего импульса. Как правило, в георадарах используются два типа антенн: дипольные и щелевые. Размеры дипольных антенн, должны быть кратны 1/2 длины волны в воздухе. Использование щелевых антенн позволяет уменьшить длину антенны почти вдвое, но за счет увеличения толщины антенны и уменьшения кпд излучения [26]. Для того чтобы оцифровывать высокочастотные радиосигналы с гигагерцовой тактовой частотой дискретизации в георадарах обычно используется принцип стробирования сигнала - для получения каждого отсчета АЦП излучается один импульс сигнала.
Зондирующий сигнал георадара, как правило, имеет форму 1,5 периода колебаний. Измерительная часть прибора обеспечивает регистрацию отраженных волн с приемной антенны, автоматическую временную регулировку усиления (ВАРУ), стробирование и оцифровку сигнала. Результат измерений выводится на дисплей регистрирующего устройства и сохраняется для последующей обработки.
Георадиолокационный метод широко применяют для решения инженерно-геологических, гидрогеологических, экологических, геотехнических, а так же археологических задач [1, 79]. Вместе с тем, существует ряд ограничений внешнего порядка: сильное поглощение радиоволн в грунте, которое зависит от влагонасыщенности и минерализации (состава) грунтов (так как приповерхностная область редко бывает сухой), и наличие множественных локальных неоднородностей в грунте, приводящих к рассеянию сигнала. В результате зондирующий сигнал либо поглощается и рассеивается в верхних слоях грунта, не достигая искомого объекта, либо отраженный отклик от искомого объекта теряется на фоне отражений от посторонних объектов [15]. Глубина зондирования во многом зависит от электрофизических характеристик грунтов на исследуемых участках. В табл. 1.1 представлены значения диэлектрической проницаемости для некоторых пород и сред [24]:
Оценка предельной дальности (глубины зондирования) радара и его разрешающей способности
Проводимость среды присутствует в волновом уравнении (1.38) как коэффициент перед первой производной по времени, которая, как известно, определяет диссипацию (поглощение) волновой энергии. Собственно говоря, диссипативный член и ограничивает все возможности подземной радиолокации, включая глубину зондирования и пространственное разрешение (при сг= 0 радиоволны в среде не затухают, а это означает возможность достижения любой глубины и любого разрешения). Для выяснения особенностей распространения радиоволн в проводящей среде перейдем из временной области в частотную, поскольку это упрощает дальнейшие выкладки. С этой целью решение волнового уравнения (1.38) будем искать в виде затухающей монохроматической волны Е = Qxp(-pz - ikz + ico) (1.45)
Здесь р - коэффициент затухания, к - волновое число, со - круговая частота. Подставим (1.45) в исходное уравнение (1.38) и получим новое уравнение, связывающее параметры волны (1.45) с проводимостью среды сг. p2-k2+2ipk + —r-l0/Joa = O с (1.46) Приравнивание нулю действительной и мнимой частей (1.46) приводит к биквадратному уравнению У+ — P - L-=0 с2 Р А . (1.47) Решение уравнения (1.47) записывается как Р І 2 + V 4с4 4 (1.48) Знаки перед корнями выбраны из условия физической реализуемости результата. Рассмотрим две асимптотики функции (1.48): низкочастотную (д»- 0) и высокочастотную (шн га). В области низких частот коэффициент затухания выражается формулой каш V 2 (1.49) в области высоких частот
В этих двух предельных случаях проводимость среды влияет на распространение радиоволн по-разному. В области низких частот затухание зависит от частоты и при ее снижении может быть сколь угодно малым. Но в этом диапазоне широкополосные сигналы испытывают дисперсию, т.е. искажение своей формы. В области высоких частот затухание не зависит от частоты, что приводит при распространении радиоимпульса только к уменьшению его амплитуды без изменения формы. Частота, разграничивающая эти два механизма распространения радиоволн, зависит от проводимости и диэлектрической проницаемости среды: є . (1.51) или для циклической частоты / = да/ 2тг 18109 сг J є . (1.52) Например, при сг= 10 2simfти - = 10, разграничивающая частота / = 18Affife. Такие параметры среды характерны для Подмосковья. Приведем формулу (1.50) к более привычному виду, выражающему погонное затухание WB децибелах на метр. fFa = 1637-=L VF. (1.53)
В реальной ситуации породы, составляющие геологические слои, могут иметь зависимые от частоты параметры сг, что надо учитывать при оценках затухания волн [27]. Покажем на численных примерах влияние проводимости среды на распространение электромагнитного импульса. Зададим в зоне расчета однородную среду с диэлектрической проницаемостью є и будем наблюдать за формой импульса, фиксируемого на глубине 0,8 м, в зависимости от проводимости о-. На рис. 1.20-1.21 приведен пример распространения без затухания ( т=0). На рис. 1.22-1.23 показан «высокочастотный» характер влияния проводимости на форму импульса. Здесь проводимость влияет в основном на его амплитуду, форма импульса остается практически без изменений. Рис. 1.24-1.25 демонстрируют влияние сильной проводимости «низкочастотного» типа, приводящей не только к уменьшению амплитуды, но и к сильному искажению импульса, которое проявляется в виде появления медленно убывающего постоянного сигнала. Такая ситуация довольно часто наблюдается на практике, когда проводимость резко возрастает, например во влажных засоленных почвах. Длинный «хвост» от верхних границ проводящих слоев может в этом случае маскировать сигналы от нижних границ, если георадар не имеет достаточного количества уровней квантования по амплитуде. Один из возможных выходов из этой ситуации -переход на более короткий импульс зондирования, для которого реализуется «высокочастотный» механизм распространения, когда «хвосты» не возникают. В большинстве георадаров это осуществляется заменой антенн на более высокочастотные.
Методика распознавания объектов на радарограмме
Исследование подповерхностных объектов георадаром заключается в обнаружении скрытых объектов, их идентификации и создании карты их местоположения и глубин залегания на основе профилирования. Профилированием называется построение вертикального среза (профиля) неоднородностей диэлектрической проницаемости грунта при перемещении прибора по заданному (как правило, прямолинейному) маршруту. На основе анализа результатов профилирования строится стратиграфический разрез исследуемого участка.
Картографирование прямоугольной площадки производится на основе сетки взаимно перпендикулярных профилей. Расстояние между соседними профилями в сетке определяется требуемой степенью детализации объектов на карте. Если расстояние велико, то контуры исследуемого объекта отображаются очень грубо (рис. 3.1). Для улучшения детализации приходится уменьшать размер сетки, что автоматически приводит к потере производительности и увеличению трудозатрат. Одной из задач планирования эксперимента является поиск компромисса между требуемой детализацией результата и временем достижения результата.
Картографирование скрытого объекта на основе сетки взаимно перпендикулярных профилей. Серым цветом изображен контур скрытого объекта, пунктирной линией - результат картографирования на основе профилирования заданной грубой сеткой профилей.
Определение глубины и местоположения трубопровода или кабеля производится профилированием перпендикулярно линии его прохождения. (Как правило, примерное местоположение и направление прокладки кабелей и трубопроводов априорно известно). При зондировании кабеля или тонкого трубопровода вибраторы антенн следует располагать параллельно линии его заложения (практически во всех конструкциях георадаров при перемещении перпендикулярно линии кабеля это условие выполняется автоматически). Тогда в месте пересечения его прибором на радарограмме возникает характерный гиперболический вид отраженного сигнала, по которому можно определить местоположение и глубину залегания искомого объекта. Для проверки, что обнаруженный объект является кабелем (трубопроводом), а не случайно подвернувшимся прутом или стержнем, следует провести профилирование параллельно первоначальному профилю на расстоянии 2 -3 метра. Характерные отражения от кабеля, наблюдающиеся на этих профилях, должны проецироваться на плане местности на прямую линию, располагающуюся перпендикулярно (или под небольшим углом) к направлению профилирования (рис. 3.2).
Тип георадара, частотный диапазон (тип антенн), способ формирования сигнала зависят от класса решаемой задачи и связанными с ней финансовыми, весовыми и энергетическими ограничениями. Как правило, основным является выбор частотного диапазона, определяющего требуемое разрешение по глубине. Для улучшения эффективности обнаружения нижняя граница частотного диапазона выбирается такой, чтобы соответствующая ей длина волны была сравнима или больше характерных размеров обнаруживаемых локальных объектов. Если требуется определить толщину слоя, то ширина частотного диапазона 5F определяется требуемой точностью измерения 5Н по формуле (1.37). Диапазон частот определяет выбор размера и типа приемопередающих антенн: размеры антенн сравнимы с характерной длиной волны излучаемого сигнала. При контактном расположении антенн на грунте выбор типов антенн ограничен в основном плоскими или рупорными антеннами. Нагруженные диполи создают относительно короткий импульс оптимальной формы, но имеют малый кпд излучения, антенны типа «бабочка» оптимальны по весовым характеристикам, но имеют значительные линейные размеры, рупорные антенны имеют узкую диаграмму направленности, но большие объемные размеры. В настоящее время наибольшее распространение получили щелевые антенны, обладающие в среднем оптимальным набором преимуществ и недостатков, приемлемых для решения большинства задач.
По выбранному частотному диапазону, типу антенны и требуемой глубине зондирования определяется мощность передатчика и время накопления сигнала согласно формулам (1.31-1.34).
На формирование изображения (радарограммы) влияют в основном три физических явления: рассеяние радиоволн на мелких объектах, отражение радиосигнала от протяженных поверхностей, многократное отражение сигнала внутри параллельных слоев. На радарограмме принимаемый сигнал наблюдается в виде нескольких чередующихся (двух или трех) темных и светлых полос примерно одинаковой ширины, так как принимаемый сигнал имеет знакопеременный вид [78].
Рассмотрим наиболее характерные типы объектов и их радарные изображения. На рисунках объекты будем отображать светлым цветом, а соответствующие им изображения в виде тройной линии. Для наглядности объекты и их образы будем помещать на одном рисунке. 1) Квазиточечный объект. Если поперечное сечение исследуемого объекта много меньше длины волны, то наблюдается от такого объекта рассеяние радиоволн во всех направлениях. При этом отраженный сигнал фиксируется георадаром не только в момент прохождения над объектом, но и некоторое время до и после прохождения, а на радарограмме формируется гиперболический годограф принимаемого сигнала (рис. 3.3), определяемый законом: где t - время распространения сигнала от антенн прибора до объекта и обратно, с — скорость света, є - диэлектрическая проницаемость среды, zo — глубина залегания объекта, х - расстояние по горизонтали до точки пересечения с объектом. К рассеивающим объектам следует отнести крупные камни, металлические болванки, а также кабели, тонкие трубопроводы, стержни, прутья арматуры в случае их расположения параллельно вибраторам антенн (перпендикулярно направлению профилирования). Кабели, расположенные вдоль направления профилирования вероятнее всего георадаром фиксироваться не будут . Наложением предусмотренной в программе обработки расчетной кривой на гиперболический годограф сигнала можно определить точное местоположение и глубину залегания объекта.
Результаты обработки данных орбитального радара «Марсис» в миссии «Марс-Экспресс»
Исследование подповерхностных объектов георадаром заключается в обнаружении скрытых объектов, их идентификации и создании карты их местоположения и глубин залегания на основе профилирования. Профилированием называется построение вертикального среза (профиля) неоднородностей диэлектрической проницаемости грунта при перемещении прибора по заданному (как правило, прямолинейному) маршруту. На основе анализа результатов профилирования строится стратиграфический разрез исследуемого участка.
Картографирование прямоугольной площадки производится на основе сетки взаимно перпендикулярных профилей. Расстояние между соседними профилями в сетке определяется требуемой степенью детализации объектов на карте. Если расстояние велико, то контуры исследуемого объекта отображаются очень грубо (рис. 3.1). Для улучшения детализации приходится уменьшать размер сетки, что автоматически приводит к потере производительности и увеличению трудозатрат. Одной из задач планирования эксперимента является поиск компромисса между требуемой детализацией результата и временем достижения результата.
Картографирование скрытого объекта на основе сетки взаимно перпендикулярных профилей. Серым цветом изображен контур скрытого объекта, пунктирной линией - результат картографирования на основе профилирования заданной грубой сеткой профилей.
Определение глубины и местоположения трубопровода или кабеля производится профилированием перпендикулярно линии его прохождения. (Как правило, примерное местоположение и направление прокладки кабелей и трубопроводов априорно известно). При зондировании кабеля или тонкого трубопровода вибраторы антенн следует располагать параллельно линии его заложения (практически во всех конструкциях георадаров при перемещении перпендикулярно линии кабеля это условие выполняется автоматически). Тогда в месте пересечения его прибором на радарограмме возникает характерный гиперболический вид отраженного сигнала, по которому можно определить местоположение и глубину залегания искомого объекта. Для проверки, что обнаруженный объект является кабелем (трубопроводом), а не случайно подвернувшимся прутом или стержнем, следует провести профилирование параллельно первоначальному профилю на расстоянии 2 -3 метра. Характерные отражения от кабеля, наблюдающиеся на этих профилях, должны проецироваться на плане местности на прямую линию, располагающуюся перпендикулярно (или под небольшим углом) к направлению профилирования (рис. 3.2).
Тип георадара, частотный диапазон (тип антенн), способ формирования сигнала зависят от класса решаемой задачи и связанными с ней финансовыми, весовыми и энергетическими ограничениями. Как правило, основным является выбор частотного диапазона, определяющего требуемое разрешение по глубине. Для улучшения эффективности обнаружения нижняя граница частотного диапазона выбирается такой, чтобы соответствующая ей длина волны была сравнима или больше характерных размеров обнаруживаемых локальных объектов. Если требуется определить толщину слоя, то ширина частотного диапазона 5F определяется требуемой точностью измерения 5Н по формуле (1.37). Диапазон частот определяет выбор размера и типа приемопередающих антенн: размеры антенн сравнимы с характерной длиной волны излучаемого сигнала. При контактном расположении антенн на грунте выбор типов антенн ограничен в основном плоскими или рупорными антеннами. Нагруженные диполи создают относительно короткий импульс оптимальной формы, но имеют малый кпд излучения, антенны типа «бабочка» оптимальны по весовым характеристикам, но имеют значительные линейные размеры, рупорные антенны имеют узкую диаграмму направленности, но большие объемные размеры. В настоящее время наибольшее распространение получили щелевые антенны, обладающие в среднем оптимальным набором преимуществ и недостатков, приемлемых для решения большинства задач.
По выбранному частотному диапазону, типу антенны и требуемой глубине зондирования определяется мощность передатчика и время накопления сигнала согласно формулам (1.31-1.34).
На формирование изображения (радарограммы) влияют в основном три физических явления: рассеяние радиоволн на мелких объектах, отражение радиосигнала от протяженных поверхностей, многократное отражение сигнала внутри параллельных слоев. На радарограмме принимаемый сигнал наблюдается в виде нескольких чередующихся (двух или трех) темных и светлых полос примерно одинаковой ширины, так как принимаемый сигнал имеет знакопеременный вид [78].
Рассмотрим наиболее характерные типы объектов и их радарные изображения. На рисунках объекты будем отображать светлым цветом, а соответствующие им изображения в виде тройной линии. Для наглядности объекты и их образы будем помещать на одном рисунке. 1) Квазиточечный объект. Если поперечное сечение исследуемого объекта много меньше длины волны, то наблюдается от такого объекта рассеяние радиоволн во всех направлениях. При этом отраженный сигнал фиксируется георадаром не только в момент прохождения над объектом, но и некоторое время до и после прохождения, а на радарограмме формируется гиперболический годограф принимаемого сигнала (рис. 3.3), определяемый законом: где t - время распространения сигнала от антенн прибора до объекта и обратно, с — скорость света, є - диэлектрическая проницаемость среды, zo — глубина залегания объекта, х - расстояние по горизонтали до точки пересечения с объектом. К рассеивающим объектам следует отнести крупные камни, металлические болванки, а также кабели, тонкие трубопроводы, стержни, прутья арматуры в случае их расположения параллельно вибраторам антенн (перпендикулярно направлению профилирования). Кабели, расположенные вдоль направления профилирования вероятнее всего георадаром фиксироваться не будут . Наложением предусмотренной в программе обработки расчетной кривой на гиперболический годограф сигнала можно определить точное местоположение и глубину залегания объекта.
