Российский георадар «ОКО-2»
Конструкция георадара
Современный георадар представляет собой сложный геофизический прибор, создаваемый при соблюдении определенных технологий. 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.
Составляющие элементы георадара на примере «ОКО-2»
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 высокопоглащающих сред. Использование ударного возбуждения антенны позволило оценить электрические характеристики морского льда на разных частотах. Впервые радиолокационное измерение толщины морского льда проведено в 1971 года. 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.
Основные производители георадаров
В России разработкой георадарных технологий занимаются ООО «ВНИИ СМИ» — георадары серии «ЛОЗА», ЗАО «ТАЙМЕР» — георадары «Грот», снабженные антеннами для различных нужд, а также ООО «ЛОГИС» (официальным представителем которого является Научно-Производственный Центр Георадарных Технологий, НПЦ ООО «ГЕОТЕХ») — георадары ОКО-2 (экранированные и рупорные антенны с широкой линейкой частот). ООО «Геологоразведка»- георадары серии ТР-ГЕО.
В Украине разработчиками и производителями георадаров являются компании Transient Technologies - георадар VIY и ООО "Спецавтоматика" - георадар EASYRAD GPR.
Зарубежные компании — производители георадаров — IDS Ingegneria Dei Sistemi S.p.A. (Италия), GSSI (США), Sensor and Software Inc. (Канада), Era Technology (Великобритания), Geoscanners AB и MALA Geoscience(Швеция), RADIANT-EM (Германия), Radar Systems (Латвия), OYO corporation (Япония), Geozondas (Литва).
Основным поставщиком технологий на основе использования многоканальных георадаров производства IDS S.p.A. является ЗАО "Геостройизыскания" (Москва).
Официальным дистрибьютором георадаров производства MALA Geoscience на территории России и стран СНГ является ЗАО "ПРИН"
Принцип действия
Радары подповерхностного зондирования предназначены для изучения сред-диэлектриков по изменению диэлектрической проницаемости и/или электропроводности. Чаще всего георадары применяются для инженерно-геотехнического обследования грунтов и неразрушающего контроля (неметаллических) строительных конструкций.
Принцип действия большинства современных георадаров тот же, что и у обычных импульсных радаров. В изучаемую среду излучается электромагнитная волна, которая отражается от разделов сред и различных включений. Отраженный сигнал принимается и записывается георадаром.
В настоящее время большинство серийно производимых радаров можно сгруппировать в несколько подтипов, которые отличаются основными принципами функционирования:
• стробоскопические георадары: такие радары испускают преимущественно импульсы с небольшой энергией, около 0.1-1 мкДж, но таких импульсов испускается довольно много 40-200тысяч импульсов в секунду. Используя стробоскопический эффект можно получить очень точную развертку - радарограмму во времени. Фактически усреднение данных с огромного числа импульсов позволяет существенно улучшить отношение сигнал/шум. В то же время, мощность в 0.1-1 мкДж накладывает серьезные ограничения на глубину проникновения таких импульсов. Обычно такие радары показывают очень точную картинку на глубине около одного метра, но практически ничего не видят на глубину более 3-5 метров.
• слабоимпульсные радары: такие радары испускают существенно меньше 500-1000 импульсов в секунду, мощность каждого такого импульса уже существенно выше и достигает 100мкДж . Оцифровывая в каждом таком импульсе одну точку с разным сдвигом от начала, можно получить радарограмму во временной области без стробирования. В то же время такой аппарат позволяет снимать около одной радарограммы в секунду и практически не позволяет использовать усреднение для улучшения отношения сигнал/шум. Это позволяет получать радарограммы с глубин в десятки метров, но трактовать такие радарограммы может только специально обученный специалист.
• сверхмощные радары с разнесенными антеннами: такие радары испускают только несколько импульсов в секунду, но энергия такого импульса достигает до 1-12 Дж. Это позволяет получать отражения от многих глубинных слоев вплоть до километровой глубины, но требует специального типа эксперимента, а именно испускающая антенна должна располагаться далеко (10-100м). Обработка таких радарограмм без использования специального программного обеспечения не представляется возможным. Обычно производители таких георадаров поставляют такое программное обеспечение в комплекте с георадаром.
Для всех вышеперечисленных типов радаров имеется возможность использования одного или нескольких каналов. В этом случае условно можно разделить все эти георадары на еще несколько классов:
• одноканальные георадары: в таких георадарах имеется один передатчик и один приемник, большинство компаний производителей георадаров имеют одноканальные георадары.
• многоканальные парные георадары: в таких георадарах имеется несколько пар приемник-передатчик, так что съемка геопрофиля с каждого канала происходит одновременно. Такие системы распространены у многих зарубежных производителей, которые специализируются на геопрофилировании дорожных покрытий. Такая система фактически содержит несколько одноканальных георадаров и позволяет в разы уменьшить время профилирования. Недостатком таких систем является громоздскость (они в разы больше одноканальных) и высокая стоимость.
• многоканальные георадары с синтезированной приемной апертурой: это наиболее сложный тип георадаров, в котором на одну испускающую антенну приходится несколько приемных, которые синхронизованы между собой. Фактически такие георадары представляют собой аналог фазированной решетки. Основным преимуществом таких систем является гораздо более четкое позиционирование объектов под землей - фактически они работают по принципу стерео зрения, как если бы у радара было бы несколько глаз-антенн. Основным недостатком таких систем является очень сложные вычислительные алгоритмы, которые необходимо решать в реальном времени, что приводит к использованию дорогих электронных компонент, обычно на основе FPGA и GPGPU. Обычно такие системы применяются только в сверхмощных георадарах с разнесенными антеннами. В то же время, такие системы более помехоустойчивы и позволяют получать наиболее точную картину распределения диэлектрической проницаемости под землей.
