Характеристика, классификация и принцип работы радаров подповерхностного зондирования

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Разработка георадаров велась в разных странах Европы, Америки, России, СССР. На основе экспериментов в натуральных условиях исследовались методы построения специализированных радиолокаторов для зондирования сравнительно тонких высокопоглощающих сред.

Радиолокаторы подповерхностного зондирования - георадары, которые применяются для поиска и обнаружения объектов, расположенных в оптически непрозрачных средах, например под землей и позволяют определить как глубину расположения объекта в среде, так и его координаты.

Предлагаемый радиолокатор содержит последовательно соединенные приемную антенну, усилитель, стробоскопический преобразователь, согласованный фильтр, устройство синхронизации и обработки сигнала, генератор видеоимпульсов и передающую антенну. При этом управляющий вход устройства синхронизации и управления соединен с управляющим входом стробоскопического преобразователя. Технический результат: повышение разрешающей способности радиолокатора и точности определения координат расположения объекта поиска.

Основными областями применения георадаров являются:

- ЖКХ (жилищно-коммунальное хозяйство): поиск подземных теплотрасс, электрокабелей, образовавшихся пустот под дорогами и т.д.

- строительство: оценка качества стен и перекрытий по отсутствию пустот при заливке бетонных перекрытий, определение наличия арматуры и т.д.

- геофизика: определение расположения слоев грунта на разной глубине,

- археология: поиск древних захоронений и т.д.

- экология: поиск и обнаружение загрязнений водных акваторий посторонними предметами как находящимися в воде, так и в илистой поверхности дна водоема,

- спецтехника: поиск минно-взрывных устройств на автотрассах, на железнодорожном полотне, при гуманитарном разминировании территорий, поиск и обнаружение несанкционированных захоронений и т.д.

1. История развития георадара

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 применён в первом промышленном радиолокационном измерителе толщины морского льда «Аквамарин».

В 1973 году с борта самолета была доказана возможность обнаружения и измерения глубины водоносных слоев в пустынных районах Средней Азии. Использовался разработанный в РИИГА радиолокатор с ударным возбуждением антенны импульсами длительностью 50 нс с центральной частотой спектра около 65 МГц. Глубина зондирования оказалась выше 20 м при высоте полета самолета 200…400 м. Аналогичные работы были проведены для известняков в 1974 году, для мёрзлых пород -- в 1975 году.

Следует указать на использование метода синтезирования апертуры в радиолокационной системе, установленной на борту космического корабля «Аполлон-17», для исследования поверхности Луны. Система была испытана в 1972 году с борта самолета над ледниками Гренландии на частоте 50 МГц при длительности импульса с линейной частотой модуляции 80 мкс (коэффициент сжатия 128).

Серийные образцы георадаров начали появляться в начале 70-х годов. В середине 80-х интерес к георадиолокации возрос в связи с очередным скачком в развитии электроники и вычислительной техники. Но, как показал опыт, это развитие оказалось недостаточным. Трудозатраты на обработку материалов не смогли окупиться в полной мере, и интерес к георадиолокации снова упал. В 90-е годы, когда произошла очередная научно-техническая революция, и персональные компьютеры стали более доступны, интерес к георадиолокации вновь возрос и не ослабел до сих пор.

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

2. Радары подповерхностного зондирования

Радары подповерхностного зондирования предназначены для мониторинга грунтов, обнаружения скрытых подземных объектов, грунтовых вод и т. п.

Принцип действия радаров подповерхностного зондирования тот же, что и у обычных радаров. Основные типы радаров подповерхностного зондирования:

· Моноимпульсный радар.

· Радар с частотной модуляцией (в том числе со скачкообразным изменением частоты).

Георадар представляет собой универсальный геофизический прибор. Именно благодаря поразительной универсальности георадаров возможности их использования становятся очень широкими. Такой прибор можно применять в строительстве автомобильных дорог, археологии, экологии, оборонной промышленности, геологии, гражданском и промышленном строительстве.

Использование георадаров в геологии обусловлено необходимостью построения геологических разрезов. Кроме того, данное устройство позволяет определить уровень грунтовых вод, профиль и глубину дна водоемов, толщину льда, границы распространения залежей полезных ископаемых. При помощи георадара можно выявить участки появления опасных геологических процессов (оползней, суффозии, карстовых пустот).

3. Конструкция георадара

Современный георадар представляет собой сложный геофизический прибор. Основной блок состоит из электронных компонентов, выполняющих следующие функции: формирование импульсов, излучаемых передающей антенной, обработка сигналов, поступающих с приемной антенны, синхронизация работы всей системы. Таким образом, георадар состоит из трех основных частей: антенной части, блока регистрации и блока управления. Антенная часть включает передающую и приемную антенны. Под блоком регистрации понимается ноутбук или другое записывающее устройство, а роль блока управления выполняет система кабелей и оптико-электрических преобразователей (см. рисунок 1).

Рисунок 1 - Радар подповерхностного зондирования «ОКО-2»

4. Георадар и оборонная промышленность

Силовым структурам георадар нужен при выполнении различных задач, имеющих отношение к поиску тайников и захоронений, а также при необходимости обнаружения подкопов к охраняемым объектам. В оборонной промышленности этот прибор применяют при поиске подземных тоннелей и складов, коммуникаций и техники. Таможенные органы используют георадары, если нужно отыскать контрабандные вложения в однородных гомогенных грузах. Главными преимуществами георадаров являются возможность обследования без нарушения целостности грунта, мобильность и высокая скорость проведения работ, возможность осуществления работ на разных поверхностях (земля, снег, лед, фундамент, асфальт, пересеченная местность), компактность, возможность построения 3-хмерной модели объекта. Кроме того, для обслуживания георадара нужно не больше двух-трех человек.

Основным военным назначением РЛС подповерхностного зондирования является обнаружение заложенных мин. При этом РЛС, установленная на борту летательного аппарата, например вертолета, позволяет непосредственно вскрывать карты минных полей. На рис. 2 представлены изображения, полученные с помощью РЛС, установленной на борту вертолета, отражающие расположение противопехотных мин..

5. Современные РЛС

Современные радиолокационные средства, устанавливаемые на самолетах и космических аппаратах, в настоящее время представляют один из наиболее интенсивно развивающихся сегментов радиоэлектронной техники. Идентичность физических принципов, лежащих в основе построения этих средств, делает возможным рассмотрение их в рамках одной статьи. Основные различия между космическими и авиационными РЛС заключаются в принципах обработки радиолокационного сигнала, связанными с различным размером апертуры, особенностями распространения радиолокационных сигналов в различных слоях атмосферы, необходимостью учета кривизны земной поверхности и т. д. Несмотря на подобного рода различия, разработчики РЛС с синтезированием апертуры (РСА) прилагают все усилия для того, чтобы добиться максимальной схожести возможностей данных средств разведки.

радиолокационный зондирование подповерхностный

Рисунок 2 - (снимок минного поля полученное с помощью РЛС)

Рисунок 3 - Виды изображений при разной детализации РЛС

Использование радаров в космической деятельности.

Впервые с проблематикой подповерхностного зондирования ИЗМИРАН столкнулся в начале 90-х годов прошлого века, когда стал участником проекта полета к Марсу «Марс-94». В соответствии с этим проектом по поверхности Марса должен был перемещаться марсоход, на борту которого должен был быть установлен наш прибор, который бы зондировал марсианскую почву на глубину до 500 метров и определил бы на этих глубинах наличие или отсутствие льда, что позволило бы приблизиться к решению проблемы «есть ли жизнь на Марсе». Условия создания прибора были довольно жесткие, как по массе, так и по потреблению электроэнергии от бортовой сети, что приводило к необходимости пересмотра некоторых установившихся к тому времени принципов их построения.

6. Георадар в подводных археологических исследованиях

В последнее время в нашей стране и за рубежом успешно развиваются георадарные технологии, относящиеся к неразрушающим методам контроля подземной среды, в отличие от бурения, шурфования и раскопок. Георадар позволяет обнаруживать методами импульсной радиолокации объекты, которые отличаются от фоновой среды по диэлектрической проницаемости и проводимости. Такими свойствами обладают почти все объекты, с которыми работает археология:

- границы геологических слоев, границы между культурным (нарушенным) и материковым (ненарушенным) слоями;

- погребенные подземные сооружения (фундаменты, подвалы, ходы, захоронения);

- отдельные предметы, размеры которых превышают 5 - 10 см.

Глубина зондирования в зависимости от вида грунта может колебаться от единиц до десятков метров. Глубина зондирования во влажных глинистых грунтах - 5 -8 метров, в сухих песчаных грунтах глубина зондирования может достигать - 20 - 30 метров.

Технические характеристики аппаратуры:

Приведем основные технические характеристики георадара «Грот-7». Диапазон рабочих частот 30 - 500 МГц.

Импульсное напряжение на выходе передатчика 5 кВ.

Чувствительность приемника 75 мкВ.

Частота дискретизации данных 1 нс.

Потребление от аккумулятора 12 В в режиме регистрации 2 А, в режиме просмотра 0.5 А.

Вес 10 кг.

Радар оснащен жидкокристаллическим индикатором 128 Х 256 элементов и имеет встроенную память объемом 4 МБ. Он может работать автономно, т.е. в режиме регистрации с выводом информации на индикатор с последующей (в случае необходимости) перекачкой информации в компьютер по стыку RS-232, а так же в составе с компьютером типа «Notebook»

7. 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).

Крупная компания Geophysical Systems, Inc. (GSSI) с 1970 года занимается исследованиями, разработкой и производством георадарных систем, уделяя большое внимание усовершенствованию технологии работ с георадарами. 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 годах 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 из Латвии (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.

Правдинским заводом радиорелейной аппаратуры малой серией выпускался георадар "Локас-2", который базировался на шасси грузового автомобиля.

Размещено на Allbest.ru