Кіріспе
Радар импульстарын пайдаланып жер астын бейнелейтін геофизикалық әдіс. Жерге енетін радар (GPR) – радар импульстарын пайдаланып жер астын бейнелейтін геофизикалық әдіс. Бұл бетон, асфальт, металл, құбырлар, кабельдер немесе кірпіш сияқты жер асты коммуникацияларын зерттеу үшін жер бетіндегі зерттеудің бұрғылаусыз әдісі. Бұл бұзбас әдіс радиоспектрдің микротолқынды диапазонында (UHF/VHF жиіліктері) электромагниттік сәулеленуді қолданады және жер асты құрылымдарынан шағылысқан сигналдарды анықтайды. GPR тас, топырақ, мұз, тұщы су, жабындар және құрылымдарды қоса алғанда, әртүрлі ортада қолданылуы мүмкін. Тиісті жағдайларда, мамандар GPR-ді жер астындағы объектілерді, материалдық қасиеттердегі өзгерістерді, қуыстарды және жарықтарды анықтау үшін пайдалана алады. GPR жоғары жиілікті (әдетте поляризацияланған) радио толқындарды қолданады, әдетте 10 МГц-тан 2,6 ГГц-қа дейінгі диапазонда. GPR трансляторы мен антеннасы жерге электромагниттік энергия жібереді. Энергия көмілген нысанға немесе әртүрлі диэлектрлік тұрақтыға ие материалдар арасындағы шекараға кездескенде, ол кері шағылысуы, сындырылуы немесе бетке шашырауы мүмкін. Қабылдағыш антенна кері сигналдың өзгеруін тіркей алады. Бұл принциптер сейсмологияға ұқсас, бірақ GPR әдістері акустикалық емес, электромагниттік энергияны қолданады, ал энергия сейсмикалық энергиядағыдай жер астының механикалық емес, электрлік қасиеттері өзгеретін шекараларда шағылысады. Топырақтың электр өткізгіштігі, берілетін орталық жиілігі және сәулеленген қуат GPR зерттеуінің тиімді тереңдік диапазонын шектеуі мүмкін. Электр өткізгіштігінің жоғарылауы электромагниттік толқынды әлсіретеді, сондықтан ену тереңдігі төмендейді. Жиілікке тәуелді әлсірету механизмдеріне байланысты, жоғары жиіліктер төменгі жиіліктерге қарағанда аз еніп түседі. Дегенмен, жоғары жиіліктер жақсы ажыратымдылықты қамтамасыз етуі мүмкін. Сондықтан жұмыс жиілігі – ажыратымдылық пен ену арасындағы компромисс болып табылады. Жер астына енудің оңтайлы тереңдігі мұзда қол жеткізіледі, онда ену тереңдігі төмен GPR жиіліктерінде бірнеше мың метрге (Гренландиядағы тау жынысына) жете алады. Құрғақ құмды топырақтар немесе гранит, әктас және бетон сияқты құрғақ, массивті материалдар өткізгіш емес, керісінше кедергілі болады, ал ену тереңдігі 700 метрге дейін болуы мүмкін. Алайда, ылғалды немесе сазды топырақтарда және жоғары электр өткізгіштігі бар материалдарда ену бірнеше сантиметрге дейін төмендеуі мүмкін. Жерге енетін радар антенналары сигналдың күші максималды болу үшін әдетте жермен жанасады; алайда GPR әуеден іске қосылатын антенналарын жер үстінде де қолдануға болады. Гидрогеофизика саласындағы кросс-скважиналық GPR топырақтағы судың болуын және мөлшерін бағалаудың құнды құралы ретінде дамыды.
Ground penetrating radar (GPR) is a geophysical method that uses radar pulses to image the subsurface. It is a non intrusive method of surveying the sub surface to investigate underground utilities such as concrete, asphalt, metals, pipes, cables or masonry. This nondestructive method uses electromagnetic radiation in the microwave band (UHF/VHF frequencies) of the radio spectrum, and detects the reflected signals from subsurface structures. GPR can have applications in a variety of media, including rock, soil, ice, fresh water, pavements and structures. In the right conditions, practitioners can use GPR to detect subsurface objects, changes in material properties, and voids and cracks. GPR uses high frequency (usually polarized) radio waves, usually in the range 10 MHz to 2.6 GHz. A GPR transmitter and antenna emits electromagnetic energy into the ground. When the energy encounters a buried object or a boundary between materials having different permittivities, it may be reflected or refracted or scattered back to the surface. A receiving antenna can then record the variations in the return signal. The principles involved are similar to seismology, except GPR methods implement electromagnetic energy rather than acoustic energy, and energy may be reflected at boundaries where subsurface electrical properties change rather than subsurface mechanical properties as is the case with seismic energy. The electrical conductivity of the ground, the transmitted center frequency, and the radiated power all may limit the effective depth range of GPR investigation. Increases in electrical conductivity attenuate the introduced electromagnetic wave, and thus the penetration depth decreases. Because of frequency dependent attenuation mechanisms, higher frequencies do not penetrate as far as lower frequencies. However, higher frequencies may provide improved resolution. Thus operating frequency is always a trade off between resolution and penetration. Optimal depth of subsurface penetration is achieved in ice where the depth of penetration can achieve several thousand metres (to bedrock in Greenland) at low GPR frequencies. Dry sandy soils or massive dry materials such as granite, limestone, and concrete tend to be resistive rather than conductive, and the depth of penetration could be up to However, in moist or clay laden soils and materials with high electrical conductivity, penetration may be as little as a few centimetres. Ground penetrating radar antennas are generally in contact with the ground for the strongest signal strength; however, GPR air launched antennas can be used above the ground. Cross borehole GPR has developed within the field of hydrogeophysics to be a valuable means of assessing the presence and amount of soil water.
Тарих
1910 жылы Готтельф Леймбах пен Генрих Лёви жер астындағы нысандарды табуға арналған, үздіксіз толқынды радарды қолданатын жүйеге алғашқы патентті тапсырды, бұл радардың өзіне алғашқы патент берілгеннен (DE 237 944 патенті) кейін алты жыл өткен соң болды. 1926 жылы доктор Хюльсенбек (DE 489 434) үздіксіз толқынның орнына радар импульстарын пайдаланатын жүйеге патент алуға өтініш берді, бұл тереңдіктің ажыратымдылығын жақсартты. 1929 жылы В. Стерн мұздықтың тереңдігін жерге енетін радар арқылы өлшеді. Әскери қолдану зерттеулерді күшейткенге дейін, 1970 жылға дейін бұл саладағы даму тым жай болды. Одан кейін коммерциялық қолданулар пайда болды және 1975 жылы тұңғыш, қолжетімді тұтынушылық жабдықтар сатылды.
Қолданбалар
GPR көптеген салаларда қолданылады. Жер ғылымдарында тау жыныстары, топырақ, жер асты сулары және мұзды зерттеу үшін пайдаланылады. Аллювиалды қиыршық тасты төсектердегі алтын ұсақтарын және алмастарды іздеуде, жер астындағы өзендердегі табиғи тұзақтарды анықтау арқылы тиімді. Қытайдың "Юту" ай роверінің астыңғы жағында Айдың топырағы мен жер қыртысын зерттеу үшін GPR орнатылған. Инженерлік қолданысқа құрылыстар мен жабындарды бұзбай тексеру (ББТ), көмілген құрылыстар мен инженерлік желілерді табу, топырақ пен тау жыныстарын зерттеу кіреді. Қоршаған ортаны қалпына келтіруде GPR полигондарды, ластану аймақтарын және басқа да қалпына келтіру объектілерін анықтау үшін қолданылады, ал археологияда археологиялық ескерткіштер мен зираттарды картографиялау үшін пайдаланылады. GPR құқық қорғау органдарында жасырын қабірлерді және көмілген дәлелдерді табуға көмектеседі. Әскери мақсаттарға миналарды, жарылмаған оқ-дәрілерді және туннельдерді анықтау кіреді. GPR-ді пайдаланатын тереңдік радарлары жер асты шахталарында құрылымдарды картографиялау үшін қолданылады. Заманауи бағытталған тереңдік радар жүйелері бір тереңдіктен алынған өлшемдерден үш өлшемді суреттерді жасауға қабілетті. Жер тешу радарларының тағы бір маңызды қолданысы – жер асты инженерлік желілерін табу. Стандартты электромагниттік индукциялық құралдар инженерлік желілерінің өткізгіштігін қажет етеді. Бұл құралдар пластик құбырларды немесе бетонды дауылдық және санитарлық кәріздерді табу үшін тиімсіз. GPR жер астындағы диэлектрлік қасиеттердің өзгеруін анықтай алатындықтан, өткізгіш емес инженерлік желілерін табу үшін өте тиімді. GPR Channel 4 телеарнасының "Time Team" бағдарламасында жиі қолданылды, ол технологияны қазбалар арқылы зерттеуге жарамды аймақты анықтау үшін пайдаланды. GPR сондай-ақ Майкл Самстың 1992 жылы жылжымайтын мүлік агентін ұрлағаннан кейін далаға көміп қойған 150 000 фунт стерлинг сомасындағы ақшалай сыйақыны қайтаруға көмектесті.
Әскери
Жерге енетін радардың әскери қолданысы жарылмаған оқ-дәрілерді және туннельдерді анықтауды қамтиды. Әскери және басқа да кең таралған GPR қолданысында мамандар GPR-ді электрлік кедергісі және электромагниттік индукция сияқты басқа қолжетімді геофизикалық әдістермен бірге қолданады. 2020 жылдың мамыр айында АҚШ әскері Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES) компаниясынан 200,2 миллион долларлық келісім бойынша жолдарға жер астына тығылған қолдан жасалған жарылғыш құрылғыларды (IED) анықтауға арналған жерге енетін радар жүйесін тапсырыс берді.
Көлік құралының орналасуы
Жерге енетін радардың алдын ала жасалған карталық суреттерін пайдаланып көліктерді орналастырудың жаңа тәсілі көрсетілді. "Жерге енетін радарды локализациялау" (LGPR) деп аталатын бұл тәсіл, 100 км/сағ (60 миль/сағ) жылдамдықпен сантиметрлік дәлдікке қол жеткізді. 2012 жылы жабық циклмен жұмыс істеу алғаш рет автономды көліктерді басқаруда демонстрацияланды, ал 2013 жылы әскери операцияларда пайдаланылды. Бұл технология GPR Inc. компаниясымен эксклюзивті түрде лицензияланып, ADAS және автономды көліктердегі орынды анықтау және жолақты ұстау жүйелері үшін көлік қауіпсіздігі мақсатында коммерцияландырылды және Ground Positioning Radar™ деп сатылды.
Археология
Жерді тесіп өтетін радарлық зерттеу – археологиялық геофизикада қолданылатын әдістердің бірі. GPR жер астындағы археологиялық артефакттарды, ерекшеліктерді және құрылымдарды анықтау және картаға түсіру үшін қолданылуы мүмкін. Радар тұжырымдамасы көптеген адамдарға таныс. Жерді тесіп өтетін радарда радар сигналы – электромагниттік импульс – жерге бағытталады. Жер астындағы объектілер мен стратиграфия (қабаттану) қабылдағышпен ұсталатын шағылыстарды тудырады. Шағылысқан сигналдың жүру уақыты тереңдікті көрсетеді. Деректер профильдер түрінде, нақты тереңдіктерді бөліп көрсететін жоспарлық карталар түрінде немесе үш өлшемді модельдер түрінде көрсетілуі мүмкін. GPR қолайлы жағдайларда (біркелкі құмды топырақтар өте қолайлы) қуатты құрал бола алады. Археологияда қолданылатын басқа геофизикалық әдістер сияқты (және қазба жұмыстарынан өзгеше) ол артефакттарды табуға және ерекшеліктерді зақымдау қаупінсіз картаға түсіруге мүмкіндік береді. Археологиялық геофизикада қолданылатын әдістердің арасында, ол салыстырмалы түрде үлкен тереңдіктегі кейбір кішкентай объектілерді анықтау және аномалия көздерінің тереңдігін ажырату қабілетімен ерекшеленеді. GPR-дың басты кемшілігі – оның ең қолайлы емес жағдайлармен шектелуі. Иірі ұсақ бөлшекті шөгінділер (балшық және сілтілер) көбінесе проблема тудырады, себебі олардың жоғары электр өткізгіштігі сигналдың күшін әлсіретеді; тасты немесе әртүрлі шөгінділер GPR сигналын шашыратады, пайдалы сигналды әлсіретіп, қажетсіз шуды арттырады. Мәдени мұра саласында GPR жоғары жиілікті антеннамен тарихи қабырғалық құрылымдарды зерттеу, бағаналардағы жарықтар мен бұзылуларды және фрескалардың бөлінуін анықтау үшін де қолданылады.
Жерлеу орындары
ГПР криминологтар, тарихшылар және археологтар қабірлерді іздеу үшін қолданады. "Археология үшін жер тесіп зерттеу радиолокациясын түсіндіру" атты жарияланымда, "ГПР-дің алғашқы археологиялық мамандарының бірі" атанған Лоренс Кониерс осы процесті сипаттады. Кониерс 1996 жылы Сальвадорда, 1997 жылы Оңтүстік Аризонадағы Чако кезеңінің Төрт бұрыш аймағында және 2018 жылы Ирландиядағы ортағасырлық нысанда ГПР қолданып зерттеу жүргізген нәтижелерін жариялады. Кониерс жүргізген зерттеулерге сүйене отырып, 2021 жылдың маусым айына дейін Институт тарихи зираттар мен индейлік мектептердің жанындағы күдікті белгісіз қабірлерді анықтау үшін ГПР қолданды. 2021 жылдың маусым айында Саскачеван провинциясындағы Кауэсс тайпасы Маривал индейлік интернат мектебінің аумағында 751 белгісіз қабірді анықтау үшін ГПР технологиясын пайдаланды, бұл мектеп 1996 жылы жабылатынша бір ғасыр бойы жұмыс істеген. ГПР технологиясының түрлі 3D модельдеу бағдарламалық платформаларымен интеграциясы жер астындағы "пішіндер мен олардың кеңістіктік байланыстарын" үш өлшемді түрде қайта жасайды. 2021 жылға қарай бұл "жаңа стандарт ретінде қалыптасып келеді".
Үш өлшемді бейнелеу
GPR деректерінің жеке сызықтары жер астының кесінді (профильді) көрінісін көрсетеді. Белгілі бір аумақтан жүйелі түрде жиналған бірнеше дерек сызықтары үш өлшемді немесе томографиялық суреттер құруға қолданылуы мүмкін. Деректер үш өлшемді блоктар түрінде немесе көлденең немесе тік қималар ретінде ұсынылуы мүмкін. Көлденең қималар ("тереңдік қималары" немесе "уақыт қималары" деп те аталады) – белгілі бір тереңдіктегі жағдайды көрсетуге арналған жоспарлық карталар. Уақыт қимасы археологиялық зерттеулерде кең таралған практикаға айналды, себебі көлденең үлгілер көбінесе мәдени қызметтің ең маңызды белгісі болып табылады. Тереңдік мүмкіндіктерін анықтауда антеннаның жиілік диапазоны антеннаның мөлшері мен тереңдікке жету мүмкіндігін анықтайды. Сканерленетін тор аралығы анықталуы тиіс нысаналардың өлшеміне және қажетті нәтижелерге байланысты болады. Жер бетін зерттеу үшін әдеттегі тор аралығы 1 метр, 3 фут, 5 фут, 10 фут, 20 фут, ал қабырғалар мен едендер үшін 1 дюйм – 1 фут болуы мүмкін. Радар сигналының жылдамдығы өтетін материалдың құрамына байланысты. Нысанаға дейінгі тереңдік радар сигналының құралдың антеннасына қайта оралуына кеткен уақыт арқылы анықталады. Радар сигналдары әртүрлі материалдардан әртүрлі жылдамдықпен өтеді. Белгілі бір жылдамдықты анықтау үшін белгілі бір нысананың тереңдігін пайдаланып, тереңдік есептеулерін калибрлеуге болады.
Қуатты реттеу
2005 жылы Еуропалық телекоммуникация стандарттары институты электромагниттік сәулеленудің шамадан тыс шығарылуын реттеу үшін GPR жабдықтары мен GPR операторларын реттеуге бағытталған заңнаманы қабылдады. Еуропалық GPR қауымдастығы (EuroGPR) Еуропада GPR-дің заңды қолданылуын өкілдік ету және қорғау мақсатында сауда қауымдастығы ретінде құрылды.
ұқсас технологиялар
Жерге енетін радар радар сигналын жасау үшін әртүрлі технологияларды қолданады: импульстік, қадамдық жиілік, жиілік модуляцияланған үздіксіз толқын (FMCW) және шу. 2009 жылы нарықтағы жүйелер деректерді өңдеу үшін сандық сигналды өңдеуді (DSP) пайдаланады, бұл деректерді саралау жұмысы кезінде тікелей өңдеуге мүмкіндік береді, офлайн өңдеудің қажеті болмайды. GPR-дың ерекше түрі модуляцияланбаған үздіксіз толқын сигналдарын қолданады. Бұл голографиялық жер асты радары басқа GPR түрлерінен өзгешелігі – ол жер астының жоспарлық көрінісіндегі голограммаларын жазады. Мұндай радардың тереңдікке енуі шамалы (20–30 см), бірақ көлденең ажыратымдылығы топырақтағы әртүрлі типтегі миналарды, немесе қабырғалардағы, едендердегі және конструкциялық элементтердегі қуыстарды, жасырын құрылғыларды, немесе басқа да жасырылған заттарды ажыратуға жеткілікті. GPR көлік құралдарында жоғары жылдамдықтағы жол тексеруі және миналарды анықтау үшін, сондай-ақ қашықтықтан бақылау режимінде қолданылады. Түтіктерге енетін радар (IPPR) және канализациядағы GPR (ISGPR) – бұл GPR технологиясының металл емес түтіктерде қолданылатын түрлері, онда сигналдар түтік қабырғалары арқылы бағытталып, түтік қабырғасының қалыңдығын және түтік қабырғасының артындағы қуыстарды анықтауға мүмкіндік береді. Қабырғаға енетін радар металл емес конструкциялар арқылы өткізе алады, бұл алғаш рет 1984 жылы ASIO және Австралия полициясы Канберрадағы бұрынғы Ресей елшілігін тексерген кезде көрсетілді. Полиция адамдарды екі бөлмеден көруге, тік бойымен қабаттар арқылы көруге, қару болуы мүмкін металл заттарды анықтауға болатынын көрсетті; GPR әскери күзетшілер мен полиция үшін қозғалыс сенсоры ретінде де жұмыс істей алады. SewerVUE Technology, құбырлардың жағдайын бағалау бойынша озық компания, құбырдың ішіндегі GPR қолданбасы ретінде Түтіктерге енетін радарды (PPR) пайдаланады, ол құбырдың қалған қабырға қалыңдығын, арматураның жабылуын, қабаттануын анықтауға және құбырдың сыртында пайда болатын қуыстардың болуын анықтауға мүмкіндік береді. EU Detect Force Technology, топырақты зерттеу бойынша озық компания, X6 Plus Grounding Radar (XGR) радарынан әскери миналарды және полиция бомбаларын анықтау үшін гибридті GPR қолданбасы ретінде пайдаланады. "Mineseeker" жобасы – аймақтарда миналардың бар-жоғын анықтау үшін ультра кең жолақты синтетикалық апертуралық радар құрылғыларымен жабдықталған дирижабльдерді пайдалануға арналған жүйені жасауды көздейді.