www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи радіолокації

Радіолокатори підповерхневого зондування

радіолокаційний
процесор та дисплей
акумулятор
корпус для
передавача,
приймача та антен
датчик
переміщення

Рисунок 1. Радіолокатор підповерхневого зондування в дії,
© 2010 Swedish History Museum, Stockholm

радіолокаційний
процесор та дисплей
акумулятор
корпус для
передавача,
приймача та антен
датчик
переміщення

Рисунок 1. Радіолокатор підповерхневого зондування в дії,
© 2010 Swedish History Museum, Stockholm

Зміст « Радіолокатори підповерхневого зондування »
  1. Як працює підповерхневий радіолокатор?
  2. Обробка сигналів у підповерхневих радіолокаторах
  3. Імпульсна випромінювальна антена
  4. Застосування
сигнал вида
«мексиканская шляпа»
(вейвлет)

Рисунок 2. Используемая частота является компромиссом между глубиной проникновения сигнала и разрешением,
© 2015 Christian Wolff, www.radartutorial.eu

сигнал вида
«мексиканская шляпа»
(вейвлет)

Рисунок 2. Используемая частота является компромиссом между глубиной проникновения сигнала и разрешением,
© 2015 Christian Wolff, www.radartutorial.eu

Радіолокатори підповерхневого зондування

Радіолокатор підповерхневого зондування або підповерхневий радіолокатор (у англомовній літературі — Ground Penetrating Radar, GPR) — це загальна назва радіолокаційних пристроїв, що реалізують технології використання електромагнітних хвиль для побудови зображень та визначення властивостей об’єктів, які знаходяться у оптично непрозорих середовищах, таких як, наприклад, ґрунт, бетон, цегляна кладка, асфальт, камінь, дерево та лід. Радіолокатори такого типу, використовувані для дослідження об’єктів, які знаходяться у товщі Землі, ще називають георадарами. Це метод неруйнівної підповерхневої візуалізації, що розроблявся з 1970-х років для підповерхневого дослідження Землі на невеликих глибинах і з високою роздільною здатністю. Радіолокатори підповерхневого зондування є прикладом успішної реалізації надширокосмугової радіолокації. Зазвичай радіолокатор такого типу з дальністю дії один метр працює в діапазоні частот від 300 до 3 300 МГц. Підповерхнева радіолокація — це метод, який зазвичай використовується при проведенні екологічних, інженерних, археологічних та інших досліджень на невеликих глибинах. Порівняно с другими методами, підповерхнева радіолокація є більш швидким, простим у застосуванні та недорогим методом. Інтенсивність випромінювання такого радіолокатора абсолютно нешкідлива. Як правило, середня потужність випромінення має порядок міліватів.

Як працює підповерхневий радіолокатор?

У підповерхневому радіолокаторі електромагнітна енергія використовується для отримання інформації про товщу досліджуваної поверхні. Під час функціонування такий радіолокатор повільно переміщується вздовж досліджуваної поверхні (безпосередньо по ній або на невеликій відстані), а електромагнітна енергія випромінюється антеною вниз у ґрунт. Енергія відбивається від меж підповерхневих об’єктів, що мають електричний контраст, тобто від меж, на яких діелектрична та / або магнітна проникність середовища розповсюдження зазнають розриву або стрибка. Відбита енергія розповсюджується у різні сторони, в тому числі, і до приймальної антени. На основі аналізу прийнятого сигналу у підповерхневому радіолокаторі визначається глибина, провідність, діелектрична проникність, щільність та місцезнаходження підповерхневих об’єктів. Глибина може бути розрахована за часом затримки сигналу відлуння. Залежно від типу системи, а також типу і стану ґрунту, радіолокатор підповерхневого зондування може виконувати вимірювання на глибину декількох десятків метрів та на основі цього будувати поперечний переріз досліджуваного простору.

Підповерхневі радіолокатори
Часова область
Частотна область
Відеоімпульсний сигнал
с шумовой модуляцией
FMCW
SFCW
Підповерхневі радіолокатори
Часова область
Частотная область
Відеоімпульсний сигнал
з шумовою модуляцією
FMCW
SFCW
Підповерхневі радіолокатори
Часова область
Частотна область
Відеоімпульсний сигнал
з шумовою модуляцією
FMCW
SFCW

(интерактивный рисунок)

Технічні виконання радіолокаторів підповерхневого зондування можливо розбить на дві групи. Радіолокаційні системи, які випромінюють імпульсний сигнал і приймають відбитий від цілі сигнал, називають імпульсними радіолокаторами. У таких радіолокаторах використовуються приймачі з дискретизацією по часу і вони розглядаються як такі, що працюють у часовій області. Для отримання великої ширини спектру зондувальні імпульси мають мати дуже малу тривалість, як правило, порядку наносекунд і навіть менше. Часто у такому радіолокаторі для отримання великої ширини спектру використовується зниження нижньої межі спектру аж до нуля. В такому випадку передавач не модулює коливання несівної частоти, а видає на антену дуже короткий імпульс високої напруги (амплітуда в діапазоні від 20 до 200 Вольт). Такий зондувальний імпульс буде мати спектр у смузі нижніх частот. Графічне зображення його залежності від часу нагадує «мексиканського капелюха» і математично описується у вигляді від’ємної нормованої другої похідної функції Гауса, тому іноді такий сигнал ще називають Гаусовим відеоімпульсом.

Системи підповерхневої радіолокації, в яких послідовно випромінюються сигнали на різних частотах і відбиті від цілі сигнали приймаються приймачем з перетворенням частоти, розглядаються як такі, що працюють в частотній області. Такі системи, як правило, являють собою радіолокатори неперервного випромінювання із ступеневою частотною модуляцією. Ці радіолокатори мають більш просту структуру і, отже, меншу вартість, однак працюють набагато повільніше. Час затримки сигналу в них визначається шляхом застосування зворотного швидкого перетворення Фур’є. Завдяки об’єднанню великої кількості сигналів відлуння в FMCW-радіолокаторах досягається краще відношення «сигнал-шум».

Вибір діапазону робочих частот здійснюється шляхом пошуку компромісу між бажаною роздільною здатністю і потрібною глибиною зондування. Сигнали на більш низьких частотах глибше проникають у ґрунт, але при цьому роздільна здатність є гіршою. Крім цього, слід враховувати те, що радіолокаційний сигнал по-різному затухає у різних ґрунтах. Так, щільні вологі глини є найбільш важким для проникнення електромагнітних хвиль матеріалом, тоді як чистий сухий пісок — найбільш легким. Мінімальний розмір об’єкту, видимого радіолокатором, збільшується із зменшенням частоти антени. На Рисунку 2 наводиться якісне представлення залежності глибини проникнення та розміру об’єкту зондування від значення робочої частоти георадара. На частоті 1 МГц радіолокатор може виявляти об’єкти на глибині до 30 … 40 метрів, однак два об’єкти будуть розділятися тільки якщо відстань між ними буде не менше 2 метрів. Фактором, що визначає вертикальну роздільну здатність (по глибині), є ефективна ширина спектру прийнятого сигналу. Горизонтальна роздільна здатність визначається параметрами діаграми направленості використовуваної антени. Її можливо дещо покращити, застосовуючи методи обробки сигналів, подібні до використовуваних в радіолокаторах із синтезованими апертурами (SAR), однак результативність їх в даному випадку обмежена через те, що швидкість розповсюдження електромагнітної хвилі в ґрунтах різних типів не є постійною.

У використовуваному діапазоні частот працюють також багато мобільних мереж. Випромінювані ними сигнали можуть суттєво впливати на роботу георадарів. Тому користувач має переконатися, що під час вимірювань його мобільний телефон переключений у автономний режим. Одним з способів зниження негативного впливу таких перешкод є використання фазово-кодової модуляції. Такий тип модуляції може використовуватися у вузькосмугових FMCW-радіолокаторах.

Рисунок 3. Тут множина діаграм А-типу (повернутих на 90º) об’єднані у одну діаграму В-типу. Додатна частина імпульсів забарвлена білим та імітує модуляцію інтенсивності сигналу на діаграмі В-типу

Рисунок 3. Тут множина діаграм А-типу (повернутих на 90º) об’єднані у одну діаграму В-типу. Додатна частина імпульсів забарвлена білим та імітує модуляцію інтенсивності сигналу на діаграмі В-типу

Обробка сигналів у підповерхневих радіолокаторах

При функціонуванні георадара з отриманих ним даних формується необроблене зображення вздовж лінії його руху. Воно будується у вигляді поперечного (по відношенню до лінії руху радіолокатора) перерізу простору, що зондується. Оскільки антени таких радіолокаторів не можуть бути гостронаправленими через роботу на низьких частотах і потрібну смугу частот, то навіть ті об’єкти, які знаходяться у ґрунті не точно під антеною, також будуть породжувати сигнали відлуння. Однак відображатися відмітки таких сигналів відлуння будуть так, ніби вони знаходяться точно під радіолокатором. При великій похилій дальності до об’єкту відмітка цілі буде відображатися на глибині, більшій ніж насправді. При підході радіолокатору до об’єкту, проходженні над ним та віддаленні від нього відмітки від цілі сформують зображення у вигляді гіперболи. Дійсне положення об’єкту відповідає вершині такої гіперболи. У необробленому зображенні завжди присутня щонайменше одна неперервна лінія поблизу поверхні. Вона відповідає сигналу від передавальної антени, що проникає у приймальну антену безпосередньо через повітряний простір. Ця лінія буде усунена при подальшій обробці. Як правило, у зображенні присутня ще одна лінія, яка відповідає сигналу, відбитому від межі поділу середовищ.

За допомогою обробки радіолокаційних сигналів необроблене зображення може бути зведено до зображення лише дійсного положення об’єктів шляхом застосування різноманітних цифрових фільтрів. За допомогою цих фільтрів виконується компенсація втрат розсіяння, шумів та перешкод від різних неоднорідностей ґрунту, які не є об’єктами (називані також «перешкоди ґрунту»). Крім цього, для компенсації затухань сигналу в ґрунті може застосовуватися збільшення коефіцієнту підсилювання залежно від часу затримки.

Однак перерахунок часу затримки у відстань / глибину не є таким простим, як для радіолокаторів, що працюють по цілях у повітряному просторі. Швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль у ґрунті змінюється у широких межах. У сухому ґрунті вона вдвічі менша за швидкість розповсюдження у вільному просторі. У вологому піску та у глині вона зменшується до чверті від цієї швидкості, а у воді стає ненабагато більшою однієї десятої від неї. Ці значення мають бути відомі заздалегідь і можуть оцінюватися, наприклад, шляхом вимірювання електричного опору або порівнюватися з результатами сейсмологічних досліджень. Однак остаточне заключення може дати тільки буріння свердловин.

Результати одного радіолокаційного вимірювання можуть бути відображені у вигляді одномірної діаграми (діаграма А-типу, A-Scan), аналогічній зображенню на екрані осцилографу. В такому вигляді відображається залежність амплітуди прийнятого сигналу від часу для одного вимірювання по цілі. На екрані вісь Х відповідає осі часу, а вздовж осі Y відкладається амплітуда відбитого сигналу. Отриману в результаті фігуру, повернуту на 90º, називають «слідом». У разі об’єднання великої кількості таких осцилограм («слідів») виходить двовимірне зображення (діаграма В-типу, B-Scan). На двовимірному зображенні по осі Х відкладається пройдений радіолокатором шлях, а по осі Y – час. В цій координатній системі різними кольорами відображаються сигнали відлуння, модульовані по яскравості. Таким чином, двовимірне зображення формується з одномірних (поперечний переріз ґрунту), послідовно отримуваних на шляху руху радіолокатора. Об’єднуючи декілька таких, отриманих паралельно, зображень, можливо сформувати зображення у вигляді, так званої діаграми С-типу ((C-Scan)), де по осям Х та Y відкладаються відстані на поверхні досліджуваної ділянки на певній глибині. Тривимірне зображення, подібне до наведеного на Рисунку 7, складається з декількох діаграм С-типу, отриманих для кількох заданих глибин. В профільній літературі всі перелічені види представлення результатів (діаграми) називають радарограмами. Терміни діаграма В-типу (B-Scan) і діаграма С-типу ((C-Scan)) характерні для розгляду радіолокаторів підповерхневого зондування і їх не слід плутати з термінами, що позначають типи індикаторних пристроїв оглядових радіолокаторів та радіолокаторів супроводження (А-типу, В-типу та С-типу).

параболічний відбивач
випромінювач у вигляді
конічних стрижнів
імпульсний вхід
омічний опір між
випромінювачем та
рефлектором

Рисунок 4. Структура імпульсної випромінювальної антени (IRA)

параболічний відбивач
випромінювач у вигляді
конічних стрижнів
імпульсний вхід
омічний опір між
випромінювачем та
рефлектором

Рисунок 4. Структура імпульсної випромінювальної антени (IRA)

Імпульсна випромінювальна антена

Для підповерхневого радіолокатора, що працює в частотній області вибір антени не є складною задачею. Ширина смуги частот такої антени має накривати діапазон використовуваних частот. Для імпульсних радіолокаторів (таких, що працюють у часовій області) вибір антени набагато важчій. Антена повинна мати один і той самий фазовий центр для всіх частотних складових, щоби форма імпульсу не змінювалась. Тому, наприклад, логоперіодична дипольна антена тут не підходить. Крім того, для портативного обладнання антена повинна мати невеликі геометричні розміри.

Імпульсні випромінювальні антени (Impulse Radiating Antenna, IRA) розроблені спеціально для надширокосмугових застосунків. Такі антени складаються з диполя, наприклад, у вигляді кругового конусу, розташованого перед параболічним відбивачем. Вони мають хорошу направленість і допускають дуже високу пікову напруженість поля. При діаметрі 0,8 метра смуга частот такої антени складає від 0,2 до 6 ГГц. Завдяки наявності резистивного шару між двома половинами опромінювача і параболічним відбивачем усувається небажане відбиття складових імпульсу на дуже високих частотах. Конструкція імпульсної випромінювальної антени набагато компактніша, ніж у електрично еквівалентної їй лінійної конусоподібної ТЕМ-рупорної антени.

Застосування

Радіолокатори підповерхневого зондування можуть мати різноманітні конструкції залежно від призначення. Це можуть бути, наприклад, переносні пристрої, які вручну встановлюються на досліджувану поверхню (ґрунт або стіну). Такі пристрої також підходять для обстеження неметалевих матеріалів на наявність тріщин або пустот. Пристрої великих розмірів можуть переміщатися по поверхні ґрунту вручну або на невеликому візку, якого штовхає людина-оператор. Корпус антени та візок мають виготовлятися з неметалевих матеріалів, щоби не створювати додаткових перешкод. Можливе також встановлення радіолокатора на автомобільному шасі, але в такому разі потрібна неметалева стріла, що закріплюється спереду або ззаду автомобілю. Підповерхневий радіолокатор може також переміщатися на підвісній платформі вертольоту, як, наприклад, в системі «HERA» (HE licopter RA dar) виробництва шведської компанії RST.

Радіолокатор підповерхневого зондування MARSIS є складовою частиною космічного корабля Mars Express. За його допомогою проводилось дослідження марсіанського ґрунту на глибину п’ять кілометрів на частотах від 1,8 до 5 МГц. При цьому відстань від антени радіолокатора до поверхні Марсу складала від 300 до 800 кілометрів.

Радіолокатори підповерхневого зондування використовуються для геологічного картографування, що включає в себе визначення глибини залягання кореневої породи, глибини рівня ґрунтових вод, глибину и товщину ґрунтів та відкладень на суші та під прісними водоймами, а також місцезнаходження внутрішніх порожнин і тріщин в породі. Інші застосування включають в себе визначення місцеположення таких об’єктів як труби, резервуари, кабелі та валуни, встановлення меж звалищ і траншей, картографування зон забруднення та проведення археологічних досліджень. Об’єднання даних, отриманих за допомогою підповерхневої радіолокації, з даними, отриманими іншими геофізичними методами (сейсмічними або електромагнітними) підвищує інформативність досліджень.

Картинная галерея археологического использования георадарной установки

Радіолокаційне обстеження, проведене Діном Гудманом (Dean Goodman) у Японії, виявило круговий курган із захороненням всередині нього, що виразно видно на нижньому перерізі на Рисунку 6. На Рисунку 7 представлено тривимірне зображення порожнини захоронення, яке було знайдене Діном Гудманом на кургані на острові Кюсю в Японії. В ньому знаходились рештки воїна із різноманітними артефактами, включно з бронзовими мечами. (Джерело фотографій: Дін Гудман)

ground-penetrating-radar

Рисунок 5. Застарілий георадар в дії

ground-penetrating-radar

Рисунок 6. Підповерхневі перерізи

ground-penetrating-radar

Рисунок 7. Тривимірне зображення в розрізі