Георадар - Ground-penetrating radar

Географическая радарограмма, собранная на историческом кладбище в Алабаме , США. Гиперболические прибытия (стрелки) указывают на присутствие дифракторов, погребенных под поверхностью, возможно связанных с захоронениями людей. Также присутствуют отражения от слоистости почвы (пунктирные линии).

Георадар ( GPR ) - это геофизический метод, который использует радиолокационные импульсы для изображения недр. Это неинтрузивный метод исследования недр с целью исследования подземных коммуникаций, таких как бетон, асфальт, металлы, трубы, кабели или кладка. Этот неразрушающий метод использует электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне ( частоты UHF / VHF ) радиочастотного спектра и обнаруживает отраженные сигналы от подземных структур. Георадар может применяться в различных средах, включая камни, почву, лед, пресную воду, тротуары и конструкции. В правильных условиях практикующие врачи могут использовать георадар для обнаружения подземных объектов, изменений свойств материала, пустот и трещин.

В георадарах используются высокочастотные (обычно поляризованные) радиоволны, обычно в диапазоне от 10 МГц до 2,6 ГГц. Передатчик и антенна георадара излучают электромагнитную энергию в землю. Когда энергия встречает заглубленный объект или границу между материалами, имеющими разную диэлектрическую проницаемость , она может отражаться, преломляться или рассеиваться обратно на поверхность. Приемная антенна может записывать изменения в обратном сигнале. Используемые принципы аналогичны сейсмологии , за исключением того, что методы георадара реализуют электромагнитную энергию, а не акустическую энергию, и энергия может отражаться на границах, где изменяются подземные электрические свойства, а не подземные механические свойства, как в случае с сейсмической энергией.

Электропроводность земли, передаваемый центр частоты , а мощность излучения все может ограничить эффективный диапазон глубины исследования GPR. Увеличение электропроводности ослабляет введенную электромагнитную волну, и, таким образом, глубина проникновения уменьшается. Из-за частотно-зависимых механизмов ослабления более высокие частоты не проникают так далеко, как более низкие частоты. Однако более высокие частоты могут обеспечить улучшенное разрешение . Таким образом, рабочая частота всегда является компромиссом между разрешением и проникновением. Оптимальная глубина подземного проникновения достигается во льдах, где глубина проникновения может достигать нескольких тысяч метров (до коренных пород в Гренландии) при низких частотах георадара. Сухие песчаные почвы или массивные сухие материалы, такие как гранит , известняк и бетон, имеют тенденцию быть скорее резистивными, чем проводящими, а глубина проникновения может достигать 15 метров (49 футов). Однако во влажных или глинистых почвах и материалах с высокой электропроводностью проникновение может составлять всего несколько сантиметров.

Антенны георадаров обычно соприкасаются с землей для обеспечения максимальной силы сигнала; тем не менее, воздушные антенны георадара могут использоваться и над землей.

Георадар с поперечным стволом скважины был разработан в области гидрогеофизики и стал ценным средством оценки наличия и количества почвенной воды .

История

Первый патент на систему, предназначенную для использования радара непрерывного действия для обнаружения скрытых объектов, был подан Готтхельфом Леймбахом и Генрихом Леви в 1910 году, через шесть лет после первого патента на сам радар (патент DE 237 944). Патент на систему, использующую радиолокационные импульсы, а не непрерывную волну, был подан в 1926 году доктором Хюльзенбеком (DE 489 434), что привело к улучшению разрешения по глубине. Глубина ледника была измерена с помощью георадара в 1929 году У. Штерном.

Дальнейшие разработки в этой области оставались редкими до 1970-х годов, когда военные приложения начали стимулировать исследования. Затем последовали коммерческие применения, и в 1975 году было продано первое доступное по цене потребительское оборудование.

В 1972 году миссия Apollo 17 несла на орбите вокруг Луны наземный радар ALSE (Apollo Lunar Sounder Experiment). Он смог записать информацию о глубине до 1,3 км и записать результаты на пленку из-за отсутствия подходящего компьютерного хранилища в то время.

Приложения

Наземный радар, используемый в районе Стиллуотер, Оклахома, США, в 2010 г.
Наземная радиолокационная съемка археологического объекта в Иордании

Георадар имеет множество применений во многих 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 пластах аллювиального гравия путем обнаружения естественных ловушек в заглубленных руслах ручьев, которые могут накапливать более тяжелые частицы. У китайского лунохода Yutu есть георадар на нижней стороне для исследования почвы и коры Луны.

Инженерные приложения включают неразрушающий контроль (NDT) конструкций и тротуаров, определение местоположения заглубленных конструкций и коммуникаций, а также изучение грунтов и коренных пород. При восстановлении окружающей среды георадар используется для определения свалок, загрязняющих шлейфов и других участков рекультивации, в то время как в археологии он используется для картографирования археологических объектов и кладбищ. Георадар используется в правоохранительных органах для обнаружения тайных могил и захороненных улик. Военное использование включает обнаружение мин, неразорвавшихся боеприпасов и туннелей.

Скважинные радары, использующие георадар, используются для картирования структур из скважины при подземных горных работах. Современные радиолокационные системы с направленным стволом скважины способны создавать трехмерные изображения на основе измерений в одной скважине.

Еще одно основное применение георадаров - обнаружение подземных коммуникаций. Стандартные инструменты для определения местоположения коммунальных предприятий с электромагнитной индукцией требуют, чтобы они были токопроводящими. Эти инструменты неэффективны для обнаружения пластиковых трубопроводов или бетонных ливневых и бытовых канализаций. Поскольку георадар обнаруживает изменения диэлектрических свойств в недрах, он может быть очень эффективным для определения местоположения непроводящих инженерных сетей.

Георадар часто использовался в телевизионной программе Time Team на 4 канале, которая использовала эту технологию для определения подходящей области для исследования путем раскопок. В 1992 году GPR был использован для возврата 150 000 фунтов стерлингов наличными, которые похититель Майкл Сэмс получил в качестве выкупа за агента по недвижимости, которого он похитил после того, как Сэмс закопал деньги в поле.

Археология

Георадиолокация - один из методов, используемых в археологической геофизике . Георадар можно использовать для обнаружения и картирования подземных археологических артефактов , особенностей и структур.

Глубинные срезы георадара, показывающие склеп на историческом кладбище. Эти карты вида в плане показывают подземные структуры на разной глубине. Шестьдесят строк данных, представляющих индивидуально вертикальные профили, были собраны и собраны в виде 3-мерного массива данных, который можно «разрезать» по горизонтали на разной глубине.)
Глубинный разрез георадара (профиль), показывающий одну строку данных исследования исторического склепа, показанного выше. Куполообразную крышу склепа можно увидеть на глубине от 1 до 2,5 метров.

Концепция радара знакома большинству людей. При использовании георадара сигнал радара - электромагнитный импульс - направляется в землю (важно, чтобы георадарные исследования не путали с электромагнитными, недавнее обследование городища железного века в Хэмпшире недавно выявило расхождения между магнитометрией, ЭМ. георадара над той же территорией). Подповерхностные объекты и стратиграфия (наслоение) вызывают отражения, которые улавливаются приемником. Время прохождения отраженного сигнала указывает глубину. Данные могут быть нанесены в виде профилей, карт вида в плане, изолирующих определенные глубины, или в виде трехмерных моделей.

Георадар может быть мощным инструментом в благоприятных условиях (идеально подходят однородные песчаные почвы). Подобно другим геофизическим методам, используемым в археологии (и в отличие от раскопок), он может определять местонахождение артефактов и объектов на карте без риска их повреждения. Среди методов, используемых в археологической геофизике, он уникален как своей способностью обнаруживать некоторые небольшие объекты на относительно больших глубинах, так и своей способностью определять глубину источников аномалий.

Основным недостатком георадара является то, что он сильно ограничен неидеальными условиями окружающей среды. Мелкозернистые отложения (глины и илы) часто вызывают проблемы, поскольку их высокая электрическая проводимость приводит к потере мощности сигнала; каменистые или неоднородные отложения рассеивают сигнал георадара, ослабляя полезный сигнал и увеличивая посторонний шум.

В области культурного наследия георадар с высокочастотной антенной также используется для исследования исторических каменных структур, обнаружения трещин и структур разрушения колонн и отделения фресок.

Военные

Военное применение наземных радаров включает обнаружение неразорвавшихся боеприпасов и обнаружение туннелей. В военных приложениях и других распространенных приложениях георадара практики часто используют георадар в сочетании с другими доступными геофизическими методами, такими как методы измерения удельного электрического сопротивления и электромагнитной индукции .

В мае 2020 года военные США заказали у компании Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES) радиолокационную систему обнаружения самодельных взрывных устройств (СВУ), заложенную в проезжей части, на сумму 200,2 миллиона долларов.

Локализация автомобиля

Был продемонстрирован недавний новый подход к локализации транспортных средств с использованием предшествующих картографических изображений с георадара. Названный «Локализирующий радар проникающего света» (LGPR), была продемонстрирована точность сантиметрового уровня на скорости до 60 миль в час. Работа с замкнутым контуром была впервые продемонстрирована в 2012 году для автономного управления транспортным средством и введена в боевую эксплуатацию в 2013 году. Сантиметровая локализация скорости на шоссе во время ночной метели была продемонстрирована в 2016 году.

Трехмерное изображение

Отдельные строки георадарных данных представляют собой разрез (профиль) геологической среды. Несколько строк данных, систематически собираемых по области, могут использоваться для построения трехмерных или томографических изображений. Данные могут быть представлены в виде трехмерных блоков или в виде горизонтальных или вертикальных срезов. Горизонтальные срезы (известные как «срезы глубины» или «срезы времени») по сути представляют собой карты вида в плане, изолирующие определенные глубины. Распределение по времени стало стандартной практикой в археологических исследованиях , потому что горизонтальные паттерны часто являются наиболее важным индикатором культурной деятельности.

Ограничения

Наиболее существенное ограничение производительности георадара связано с материалами с высокой проводимостью, такими как глинистые почвы и почвы, загрязненные солью. Производительность также ограничивается рассеянием сигнала в неоднородных условиях (например, на каменистой почве).

К другим недостаткам имеющихся в настоящее время георадарных систем можно отнести:

  • Интерпретация радарограмм обычно не является интуитивно понятной для новичка.
  • Для эффективного проектирования, проведения и интерпретации георадарных съемок необходим значительный опыт.
  • Относительно высокое потребление энергии может стать проблемой для обширных полевых исследований.

Радар чувствителен к изменениям в составе материала, для обнаружения изменений требуется движение. При просмотре стационарных объектов с помощью проникающего через поверхность или грунтового радара оборудование необходимо перемещать, чтобы радар мог исследовать заданную область, ища различия в составе материалов. Хотя он может идентифицировать такие предметы, как трубы, пустоты и почву, он не может идентифицировать конкретные материалы, такие как золото и драгоценные камни. Тем не менее, это может быть полезно для картирования подповерхностных карманов, потенциально содержащих драгоценные камни, или «каверн». Показания могут быть запутаны из-за влажности земли, и они не могут отделить карманы с драгоценными камнями от карманов без драгоценных камней.

При определении возможностей глубины частотный диапазон антенны определяет размер антенны и возможности глубины. Сканируемый интервал сетки зависит от размера мишеней, которые необходимо идентифицировать, и требуемых результатов. Типичные интервалы сетки могут составлять 1 метр, 3 фута, 5 футов, 10 футов, 20 футов для наземных съемок, а для стен и полов - 1 дюйм – 1 фут.

Скорость, с которой распространяется радиолокационный сигнал, зависит от состава проникаемого материала. Глубина до цели определяется на основе количества времени, которое требуется для отражения радиолокационного сигнала обратно на антенну устройства. Радиолокационные сигналы проходят с разной скоростью через разные типы материалов. Можно использовать глубину известного объекта для определения конкретной скорости, а затем откалибровать вычисления глубины.

Регулировка мощности

В 2005 году Европейский институт телекоммуникационных стандартов принял закон, регулирующий использование георадарного оборудования и операторов георадаров для контроля избыточных выбросов электромагнитного излучения. Европейская ассоциация георадара (EuroGPR) была создана как торговая ассоциация для представления и защиты законного использования георадара в Европе.

Подобные технологии

В георадарном режиме для генерации радиолокационного сигнала используются различные технологии: импульсный, ступенчатый, непрерывный с частотной модуляцией ( FMCW ) и шум. Системы, представленные на рынке в 2009 году, также используют цифровую обработку сигналов (DSP) для обработки данных во время съемок, а не в автономном режиме.

Особый вид георадара использует немодулированные непрерывные сигналы. Этот голографический подповерхностный радар отличается от других типов георадара тем, что он записывает подземные голограммы вида сверху. Глубина проникновения этого типа радара довольно мала (20–30 см), но поперечного разрешения достаточно, чтобы различать различные типы наземных мин в почве или полостей, дефектов, подслушивающих устройств или других скрытых объектов в стенах, полах и других местах. конструктивные элементы.

Георадар используется на транспортных средствах для ближней высокоскоростной съемки дорог и обнаружения мин, а также в режиме ожидания.

В радаре проникновения в трубу (IPPR) и в георадаре в канализации (ISGPR) применяются технологии георадара, применяемые в неметаллических трубах, где сигналы направляются через стенки трубы и канала для определения толщины стенки трубы и пустот за стенками трубы.

Радар, проникающий через стены, может распознавать неметаллические конструкции, что впервые продемонстрировали ASIO и австралийская полиция в 1984 году при обследовании бывшего посольства России в Канберре . Полиция показала, как наблюдать за людьми на расстоянии до двух комнат сбоку и сквозь этажи по вертикали, могла видеть металлические глыбы, которые могли быть оружием; Георадар может даже действовать как датчик движения для военной охраны и полиции.

Компания SewerVUE Technology, занимающаяся передовой оценкой состояния труб, использует радар проникновения в трубу (PPR) в качестве приложения для георадара внутри трубы, чтобы видеть остаточную толщину стенки, покрытие арматуры, расслоение и обнаруживать наличие пустот, развивающихся за пределами трубы.

«Проект Mineseeker» направлен на разработку системы для определения наличия наземных мин в районах с использованием сверхширокополосных радаров с синтезированной апертурой, установленных на дирижаблях .

Рекомендации

  1. ^ "Как работает радар проникновения в землю" . Tech27 .
  2. Перейти ↑ Daniels DJ (ed.) (2004). Наземный радар (2-е изд.). Кновал (инженерно-технологический институт). С. 1–4. ISBN   978-0-86341-360-5 . CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  3. ^ а б "История технологии наземных радиолокационных станций" . Ingenieurbüro obonic. Архивировано 2 февраля 2017 года . Проверено 13 февраля +2016 .
  4. ^ "Аполлон Лунная радиолокационная система" - Труды IEEE, июнь 1974 г.
  5. ^ Уилсон, MGC; Генри, G .; Маршалл, Т.Р. (2006). «Обзор аллювиальной алмазной промышленности и гравия Северо-Западной провинции, Южная Африка» (PDF) . Южноафриканский журнал геологии . 109 (3): 301–314. DOI : 10.2113 / gssajg.109.3.301 . Архивировано 5 июля 2013 года (PDF) . Проверено 9 декабря 2012 года .
  6. ^ Hofinghoff, Jan-Флориан (2013). «Антенна с резистивной нагрузкой для наземного радара в нижнем отверстии в сборе». Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 61 (12): 6201–6205. Bibcode : 2013ITAP ... 61.6201H . DOI : 10.1109 / TAP.2013.2283604 . S2CID   43083872 .
  7. ^ Бирмингемская почта
  8. ^ Лоу, Келси М; Wallis, Lynley A .; Пардо, Колин; Марвик, Бенджамин; Кларксон, Кристофер Дж; Манне, Тиина; Смит, Массачусетс; Фуллагар, Ричард (2014). «Георадар и методы захоронения в западной части Арнемленда, Австралия». Археология в Океании . 49 (3): 148–157. DOI : 10.1002 / arco.5039 .
  9. ^ Мазини, N; Persico, R; Риццо, Э (2010). «Некоторые примеры георадиолокации для мониторинга монументального наследия». Журнал геофизики и инженерии . 7 (2): 190. Bibcode : 2010JGE ..... 7..190M . DOI : 10.1088 / 1742-2132 / 7/2 / S05 .
  10. ^ «Армия заказывает у CSES радиолокационную систему наземного проникновения для обнаружения скрытых СВУ по сделке на 200,2 миллиона долларов» . Военная и аэрокосмическая электроника . 13 мая 2020.
  11. ^ а б Корник, Мэтью; Koechling, Джеффри; Стэнли, Байрон; Чжан, Бэйцзя (1 января 2016 г.). «Локализация наземных радиолокаторов: шаг к надежной локализации автономных наземных транспортных средств» . Журнал полевой робототехники . 33 (1): 82–102. DOI : 10.1002 / rob.21605 . ISSN   1556-4967 .
  12. ^ Включение автономных транспортных средств для движения по снегу с помощью локализирующего георадара (видео). Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института. 24 июня 2016. Архивировано 19 января 2017 года . Проверено 31 мая 2017 года - через YouTube.
  13. ^ «Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института: Новости: Лаборатория Линкольна демонстрирует высокоточную локализацию транспортных средств в неблагоприятных погодных условиях» . www.ll.mit.edu . Архивировано из оригинального 31 мая 2017 года . Дата обращения 31 мая 2017 .
  14. Коньерс, Лоуренс Б. и Дин Гудман 1997 Наземный радар: введение для археологов. Уолнат-Крик, Калифорния: Altamira Press
  15. ^ "Драгоценные камни и технологии - Подземное видение" . Проект Ганоксин. Архивировано 22 февраля 2014 года . Проверено 5 февраля 2014 .
  16. ^ Электромагнитная совместимость и вопросы радиочастотного спектра (ERM) . Свод правил в отношении контроля, использования и применения систем и оборудования наземных радаров (GPR) и настенных радаров (WPR). Европейский институт телекоммуникационных стандартов . Сентябрь 2009 г. ETSI EG 202 730 V1.1.1.
  17. ^ "Импульсный генератор для георадара" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 18 апреля 2015 года . Проверено 25 марта 2013 года .
  18. ^ Журавлев, А.В.; Ивашов, С.И.; Разевиг, В.В.; Васильев ИА; Türk, AS; Кизилай, А. (2013). Голографический радар для визуализации подповерхностных изображений для применения в гражданском строительстве (PDF) . Международная радиолокационная конференция IET. Сиань, Китай: IET. DOI : 10,1049 / cp.2013.0111 . Архивировано 29 сентября 2013 года (PDF) из оригинала . Проверено 26 сентября 2013 года .
  19. ^ Ивашов, С.И.; Разевиг, В.В.; Васильев ИА; Журавлев А.В.; Бектел, ТД; Капинери, Л. (2011). "Голографический подземный радар типа РАСКАН: разработка и применение" (PDF) . Журнал IEEE по избранным темам прикладных наблюдений Земли и дистанционного зондирования . 4 (4): 763–778. Bibcode : 2011IJSTA ... 4..763I . DOI : 10.1109 / JSTARS.2011.2161755 . S2CID   12663279 . Архивировано 29 сентября 2013 года (PDF) . Проверено 26 сентября 2013 года .
  20. ^ "Наземные радиолокационные системы (GPR) - Murphysurveys" . www.murphysurveys.co.uk . Архивировано 10 сентября 2017 года . Проверено 10 сентября 2017 года .
  21. ^ Ékes, C .; Neducza, B .; Такач, П. (2014). Материалы 15-й Международной конференции по наземным радиолокаторам . С. 368–371. DOI : 10.1109 / ICGPR.2014.6970448 . ISBN   978-1-4799-6789-6 . S2CID   22956188 .
  22. ^ "Международная встреча без копания в Сингапуре - журнал бестраншейных технологий" . Журнал бестраншейных технологий . 30 декабря 2010 . Проверено 10 сентября 2017 года .

дальнейшее чтение

Обзор научных и инженерных приложений можно найти в:

  • Jol, HM, ed. (2008). Теория и приложения георадаров . Эльзевир.
  • Персико, Раффаэле (2014). Введение в георадар: обратное рассеяние и обработка данных . Джон Вили и сыновья.

Общий обзор геофизических методов в археологии можно найти в следующих работах:

  • Кларк, Энтони Дж. (1996). Видеть под почвой. Поисковые методы в археологии . Лондон, Великобритания: BT Batsford Ltd.
  • Коньерс, LB (2004). Георадар для археологии . Уолнат-Крик, Калифорния, США: AltaMira Press Ltd.
  • Гаффни, Крис; Джон Гэйтер (2003). Выявление погребенного прошлого: геофизика для археологов . Страуд, Соединенное Королевство: Темпус.

внешние ссылки