Введение
Геофизический метод, использующий радиолокационные импульсы для визуализации подповерхностных структур.
Георадар (GPR) – это геофизический метод, использующий радиолокационные импульсы для визуализации подповерхностных структур. Это неразрушающий метод обследования подземного пространства для поиска подземных коммуникаций и объектов, таких как бетон, асфальт, металлы, трубы, кабели или каменная кладка. Этот метод использует электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне (УВЧ/ВЧ частоты) радиоспектра и регистрирует отраженные сигналы от подповерхностных объектов. Георадар может применяться в различных средах, включая горные породы, почву, лед, пресную воду, дорожные покрытия и строительные конструкции. При благоприятных условиях специалисты могут использовать георадар для обнаружения подповерхностных объектов, изменений в свойствах материалов, а также пустот и трещин. Георадар использует высокочастотные (обычно поляризованные) радиоволны, как правило, в диапазоне от 10 МГц до 2,6 ГГц. Передатчик и антенна георадара излучают электромагнитную энергию в грунт. При встрече энергии с погребенным объектом или границей между материалами с различными диэлектрическими проницаемостями, она может быть отражена, преломлена или рассеяна обратно к поверхности. Приемная антенна регистрирует изменения в отраженном сигнале. Принципы, лежащие в основе этого метода, схожи с принципами сейсмологии, за исключением того, что георадар использует электромагнитную энергию вместо акустической, и отражение энергии происходит на границах с изменением электрических свойств подповерхья, а не механических, как в сейсморазведке. Электрическая проводимость грунта, центральная частота передачи и излучаемая мощность могут ограничивать эффективную глубину исследования георадаром. Увеличение электрической проводимости ослабляет электромагнитную волну, что приводит к уменьшению глубины проникновения. Из-за механизмов ослабления, зависящих от частоты, более высокие частоты проникают меньше, чем более низкие. Однако более высокие частоты могут обеспечивать более высокое разрешение. Таким образом, рабочая частота всегда представляет собой компромисс между разрешением и глубиной проникновения. Оптимальная глубина проникновения достигается в льду, где при низких частотах георадара глубина проникновения может достигать нескольких тысяч метров (до скального основания в Гренландии). Сухие песчаные почвы или массивные сухие материалы, такие как гранит, известняк и бетон, обычно обладают высоким сопротивлением, а не проводимостью, и глубина проникновения может быть значительной. Однако во влажных или глинистых грунтах и материалах с высокой электропроводностью глубина проникновения может составлять всего несколько сантиметров. Антенны георадара обычно контактируют с землей для обеспечения максимальной силы сигнала, однако могут использоваться и георадары с антеннами, установленными в воздухе. Кросс-скважинный георадар, развивающийся в области гидрогеофизики, является ценным методом оценки наличия и количества грунтовых вод.
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.
История
Первый патент на систему, предназначенную для обнаружения скрытых объектов с помощью непрерывного волнового радара, был подан Готтельфом Леймбахом и Генрихом Лёви в 1910 году, спустя шесть лет после первого патента на сам радар (патент DE 237 944). В 1926 году доктор Хюльсенбек (DE 489 434) подал патент на систему, использующую радиолокационные импульсы вместо непрерывной волны, что позволило улучшить разрешение по глубине. В 1929 году У. Стерн измерил глубину ледника с помощью георадара. Дальнейшее развитие в этой области было незначительным до 1970-х годов, когда исследования стали активно развиваться благодаря военным приложениям. За этим последовало коммерческое использование, и первое доступное для потребителей оборудование было продано в 1975 году.
Приложения
GPR имеет множество применений в различных областях. В науках о Земле он используется для изучения коренных пород, почв, грунтовых вод и льда. Он полезен при поисках золотых самородков и алмазов в аллювиальных гравийных отложениях, обнаруживая естественные ловушки в засыпанных руслах рек, способные накапливать более тяжелые частицы. Китайский лунный ровер "Юту" оснащен GPR на нижней стороне для исследования почвы и коры Луны. Инженерные применения включают неразрушающий контроль (НК) конструкций и покрытий, обнаружение подземных сооружений и коммуникаций, а также изучение почв и коренных пород. В области экологической реабилитации GPR используется для определения границ свалок, зон загрязнения и других участков, требующих восстановления, а в археологии – для картографирования археологических объектов и кладбищ. GPR применяется правоохранительными органами для обнаружения тайных захоронений и спрятанных улик. В военных целях он используется для обнаружения мин, неразорвавшихся боеприпасов и туннелей. Скважинные радары, использующие GPR, применяются для картирования геологических структур при подземной добыче полезных ископаемых. Современные направленные скважинные радиолокационные системы способны создавать трехмерные изображения на основе измерений, полученных в одной скважине. Одной из основных областей применения георадаров является поиск подземных коммуникаций. Стандартные инструменты, использующие электромагнитную индукцию для обнаружения коммуникаций, требуют, чтобы они были проводящими. Эти инструменты неэффективны для обнаружения пластиковых труб или бетонных ливневых и канализационных коллекторов. Поскольку GPR обнаруживает изменения диэлектрических свойств в подпочве, он может быть очень эффективным для обнаружения непроводящих коммуникаций. GPR часто использовался в телевизионной программе Time Team на канале Channel 4, где технология применялась для определения подходящей области для исследования путем проведения раскопок. GPR также был использован для обнаружения 150 000 фунтов стерлингов наличными, которые Майкл Самс спрятал в поле после похищения агента по недвижимости в 1992 году.
Военный
Военные применения георадаров включают обнаружение неразорвавшихся боеприпасов и обнаружение туннелей. В военных и других распространенных областях применения георадаров специалисты часто используют георадар в сочетании с другими доступными геофизическими методами, такими как электроразведка и методы электромагнитной индукции. В мае 2020 года вооруженные силы США заказали систему георадаров у Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES) для обнаружения самодельных взрывных устройств (СВУ), зарытых в дорогах, на сумму 200,2 миллиона долларов.
Локализация транспортного средства
Недавно был продемонстрирован новый подход к локализации транспортных средств, использующий предварительно созданные карты изображений, полученные с помощью георадара. Этот метод, получивший название "Локализующий георадар" (LGPR), обеспечивает сантиметровую точность при скоростях до 100 км/ч (60 миль/ч). Работа в замкнутом контуре была впервые продемонстрирована в 2012 году для автономного управления транспортными средствами и применена в военных операциях в 2013 году. Эта технология была эксклюзивно лицензирована и коммерциализирована компанией GPR Inc. для повышения безопасности транспортных средств в системах ADAS и автономного позиционирования и удержания полосы движения, и продавалась под торговой маркой Ground Positioning Radar(tm).
Археология
Радарное исследование наземного проникновения – один из методов, используемых в археологической геофизике. GPR может использоваться для обнаружения и картографирования археологических артефактов, объектов и закономерностей в подповерхностном слое. Концепция радара знакома большинству людей. При наземном радиолокационном исследовании радиолокационный сигнал – электромагнитный импульс – направляется в землю. Подповерхностные объекты и стратиграфия (слоистость) вызывают отражения, которые регистрируются приемником. Время прохождения отраженного сигнала указывает на глубину залегания. Данные могут быть представлены в виде профилей, планов, выделяющих определенные глубины, или трехмерных моделей. В благоприятных условиях ГПР может быть мощным инструментом (однородные песчаные почвы являются идеальными). Как и другие геофизические методы, используемые в археологии (и в отличие от раскопок), он позволяет обнаружить артефакты и картографировать объекты без риска их повреждения. Среди методов археологической геофизики он уникален как способностью обнаруживать небольшие объекты на относительно большой глубине, так и возможностью определения глубины залегания источников аномалий. Главный недостаток GPR заключается в его сильной зависимости от неблагоприятных условий окружающей среды. Мелкозернистые отложения (глины и илы) часто представляют проблему, поскольку их высокая электропроводность приводит к ослаблению сигнала; скалистые или неоднородные отложения рассеивают радиолокационный сигнал, ослабляя полезный сигнал и увеличивая посторонний шум. В сфере культурного наследия ГПР с высокочастотной антенной также используется для исследования исторических каменных конструкций, выявления трещин и признаков разрушения колонн, а также отслоения фресок.
Место захоронения
ГПР используется криминалистами, историками и археологами для поиска захоронений. В своей публикации «Интерпретация георадара для археологии» Лоуренс Коньерс, которого называют «одним из первых археологов, специализирующихся на ГПР», описал этот процесс. Коньерс опубликовал результаты исследований с использованием ГПР в Сальвадоре в 1996 году, в регионе Четырех углов в период Чако на юге Аризоны в 1997 году и на средневековой стоянке в Ирландии в 2018 году. Опираясь на исследования Коньерса, к июню 2021 года Институт использовал ГПР для обнаружения предполагаемых безымянных могил вблизи исторических кладбищ и школ-интернатов для коренных народов. В июне 2021 года технология ГПР была применена народом Коуэсс в Саскачеване для обнаружения 751 безымянной могилы на территории школы-интерната Маривал, действовавшей в течение века до закрытия в 1996 году. Усовершенствования технологии ГПР, интегрированные с различными платформами трехмерного моделирования, позволяют создавать трехмерные реконструкции подземных «объектов и их пространственного расположения». К 2021 году это становилось «новым стандартом».
Трехмерная визуализация
Отдельные линии данных георадиолокации (GPR) представляют собой сечение (профиль) недр. Для построения трехмерных или томографических изображений можно использовать несколько линий данных, систематически собранных на определенной площади. Данные могут быть представлены в виде трехмерных блоков или в виде горизонтальных или вертикальных срезов. Горизонтальные срезы (известные как "срезы по глубине" или "временные срезы") по сути являются картами, отображающими определенные глубины. Временные срезы стали стандартной практикой в археологических исследованиях, поскольку горизонтальная структура часто является наиболее важным индикатором культурной деятельности. При определении глубины проникновения частотный диапазон антенны определяет ее размер и максимальную глубину исследования. Шаг сетки сканирования выбирается исходя из размеров объектов, которые необходимо идентифицировать, и требуемой точности результатов. Типичные значения шага сетки составляют 1 метр, 3 фута, 5 футов, 10 футов, 20 футов для наземных исследований, и от 1 дюйма до 1 фута для обследования стен и полов. Скорость распространения радиолокационного сигнала зависит от состава материала, через который он проходит. Глубина до объекта определяется на основе времени, необходимого для отражения сигнала от антенны прибора. Радиолокационные сигналы распространяются с разной скоростью в различных материалах. Можно использовать глубину до известного объекта для определения скорости распространения сигнала в конкретном материале и последующей калибровки расчетов глубины.
Регулирование мощности
В 2005 году Европейский институт телекоммуникационных стандартов ввел законодательство для регулирования оборудования георадиолокации (GPR) и операторов этого оборудования с целью контроля за превышением допустимых уровней электромагнитного излучения. Европейская ассоциация георадиолокации (EuroGPR) была создана как отраслевая ассоциация для представления и защиты законного применения георадиолокации (GPR) в Европе.
Аналогичные технологии
Для создания радиолокационного сигнала используются различные технологии: импульсная, ступенчатая частота, частотно-модулируемая непрерывная волна (FMCW) и шумовая. Системы, представленные на рынке в 2009 году, также используют цифровую обработку сигналов (DSP) для обработки данных непосредственно во время полевых работ, а не в автономном режиме. Особый вид георадара использует немодулированные непрерывные волны. Этот голографический георадар отличается от других типов георадаров тем, что он записывает голограммы в виде плана. Глубина проникновения этого типа георадара относительно небольшая (20–30 см), но боковое разрешение достаточно для различения различных типов мин в почве, полостей, дефектов, устройств прослушивания или других скрытых объектов в стенах, полах и конструктивных элементах. Георадар используется на транспортных средствах для детального обследования дорог на высокой скорости и обнаружения мин, а также в режиме дистанционного зондирования. Радар для обследования труб (IPPR) и георадар для обследования канализационных труб (ISGPR) – это применения георадарных технологий, используемых в неметаллических трубах, где сигналы направляются через стенки труб и каналов для определения толщины стенок труб и обнаружения пустот за стенками. Радар, проникающий сквозь стены, способен сканировать неметаллические конструкции, что было впервые продемонстрировано ASIO и австралийской полицией в 1984 году при обследовании бывшего российского посольства в Канберре. Полиция показала, как можно наблюдать за людьми на расстоянии до двух комнат в горизонтальной плоскости и через этажи в вертикальной, а также обнаруживать металлические предметы, которые могут быть оружием. Георадар может даже выступать в качестве датчика движения для военной охраны и полиции. SewerVUE Technology, передовая компания по оценке состояния трубопроводов, использует радар для проникновения в трубы (PPR) как применение георадара для определения остаточной толщины стенок, защитного слоя арматуры, расслоения и обнаружения пустот, формирующихся снаружи трубы. EU Detect Force Technology, передовая компания в области исследования грунтов, использует X6 Plus Grounding Radar (XGR) в качестве гибридного применения георадара для обнаружения военных мин, а также для обнаружения взрывчатых веществ полицией. "Проект Mineseeker" направлен на разработку системы для определения наличия мин на местности с использованием сверхширокополосных синтетических апертурных радаров, установленных на дирижаблях.