Radar de penetrare a solului
Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de
versiunea revizuită pe 24 martie 2021; verificările necesită
6 modificări .
Georadar - radar , pentru care mediul studiat poate fi pământul, solul (de unde denumirea cea mai comună), apa dulce, munții. Georadarul este o metodă de înaltă frecvență (de la 10 MHz la 1000 MHz) de unde electromagnetice de înaltă rezoluție pentru obținerea de imagini ale solurilor și structurilor solului. Antena este folosită pentru a transmite și recupera impulsurile radar generate de generatorul de impulsuri. Pulsul returnat este apoi procesat pentru a obține imagini de profil de sol. Principalele aplicații geotehnice sunt imagistica profilului solului și localizarea obiectelor îngropate. GPR oferă o imagine cu rezoluție continuă a profilului solului cu foarte puține perturbări ale solului. GPR nu este potrivit pentru argile umede și nămoluri foarte conductoare (0,15 miliohmi/m). Rezoluția GPR scade odată cu adâncimea [1] .
Design georadar
Un georadar modern este un dispozitiv electronic complex, ale cărui componente îndeplinesc următoarele funcții:
- formarea impulsurilor emise de antena de transmisie;
- procesarea semnalelor provenite de la antena de recepție;
- sincronizarea întregului sistem.
Astfel, georadarul este format din trei părți principale: partea antenă, unitatea de înregistrare și unitatea de control.
Partea de antenă include antene de transmisie și recepție. Unitatea de înregistrare este înțeleasă ca laptop sau alt dispozitiv de înregistrare, iar rolul unității de control este îndeplinit de un sistem de cabluri și convertoare optic-electrice.
Istoria dezvoltării GPR
Dezvoltarea georadarului a fost realizată în diferite țări din Europa, America, Rusia, URSS. Pe baza experimentelor în condiții naturale, s-au studiat metode de construire a radarelor specializate pentru sondarea mediilor relativ subțiri cu absorbție mare. Utilizarea excitației șocului antenei a făcut posibilă estimarea caracteristicilor electrice ale gheții marine la frecvențe diferite. Prima măsurătoare radar a grosimii gheții marine a fost efectuată în 1971 folosind metoda de sinteză a semnalului de impuls video propusă de M. I. Finkelstein în 1969 . Această metodă a fost utilizată în primul radar industrial pentru grosimea gheții de mare „Acvamarine”.
În 1973, posibilitatea de a detecta și măsura adâncimea acviferelor din regiunile deșertice din Asia Centrală a fost dovedită cu ajutorul unui avion. Am folosit un radar dezvoltat la RIIGA cu excitație de impact a antenei prin impulsuri cu o durată de 50 ns și o frecvență centrală a spectrului de aproximativ 65 MHz. Adâncimea de sondare sa dovedit a fi mai mare de 20 m la o altitudine de zbor a aeronavei de 200 ... 400 m. Lucrări similare au fost efectuate pentru calcar în 1974 , pentru roci înghețate - în 1975 .
Trebuie subliniată utilizarea metodei de sinteză a deschiderii în sistemul radar instalat la bordul navei spațiale Apollo 17 pentru a studia suprafața lunară . Sistemul a fost testat în 1972 cu o aeronavă peste ghețarii Groenlandei la o frecvență de 50 MHz cu o durată a impulsului cu o frecvență de modulație liniară de 80 µs (raport de compresie 128).
Mostre în serie de georadar au început să apară la începutul anilor '70. La mijlocul anilor 1980, interesul pentru GPR a crescut datorită unui alt salt în dezvoltarea electronicii și a tehnologiei computerelor. Dar, după cum a arătat experiența, această evoluție a fost insuficientă. Costurile cu forța de muncă pentru prelucrarea materialelor nu au putut fi plătite integral, iar dobânda pentru GPR a scăzut din nou. În anii 90, când a avut loc o altă revoluție științifică și tehnologică, iar computerele personale au devenit mai accesibile, interesul pentru GPR a crescut din nou și nu a slăbit până acum.
De la sfârșitul anilor 1990, au avut loc în mod regulat conferințe de cercetare dedicate acestei metode. Sunt publicate numere speciale ale revistelor.
Cum funcționează
Radarele de sondare subterană sunt concepute pentru a studia mediile dielectrice prin modificarea constantei dielectrice și/sau a conductibilității electrice. Cel mai adesea, radarele de pătrundere la sol sunt utilizate pentru inginerie și cercetare geotehnică a solurilor și testarea nedistructivă a structurilor de clădiri (nemetalice).
Principiul de funcționare al celor mai moderne georadare [2] este același cu cel al radarelor convenționale cu impulsuri . O undă electromagnetică este radiată în mediul studiat, care este reflectată din secțiunile mediului și din diferite incluziuni. Semnalul reflectat este primit și înregistrat de GPR.
În prezent, majoritatea radarelor produse în serie pot fi grupate în mai multe subtipuri care diferă în principiile de bază de funcționare:
- radare stroboscopice de penetrare a solului: astfel de radare emit în principal impulsuri cu energie scăzută, aproximativ 0,1-1 μJ, dar destul de multe astfel de impulsuri sunt emise cu 40-200 de mii de impulsuri pe secundă. Folosind efectul stroboscopic, puteți obține o măturare foarte precisă - o radargramă în timp. De fapt, media datelor dintr-un număr mare de impulsuri poate îmbunătăți semnificativ raportul semnal-zgomot. În același timp, o putere de 0,1–1 μJ impune restricții serioase asupra adâncimii de penetrare a unor astfel de impulsuri. În mod obișnuit, astfel de radare sunt folosite pentru adâncimi de sondare de până la 10 metri. Cu toate acestea, în unele cazuri, capacitatea de „penetrare” ajunge la mai mult de 20 de metri.
- radare cu puls slab: astfel de radare emit semnificativ mai puțin de 500-1000 de impulsuri pe secundă, puterea fiecărui astfel de impuls este deja semnificativ mai mare și ajunge la 100 μJ. Prin digitizarea unui punct în fiecare astfel de impuls cu o schimbare diferită de la început, este posibil să se obțină o radargramă în domeniul timpului fără gate. În același timp, un astfel de dispozitiv face posibilă luarea de aproximativ un radargram pe secundă și practic nu permite utilizarea medierii pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot. Acest lucru vă permite să primiți radargrame de la adâncimi de zeci de metri, dar numai un specialist special instruit poate interpreta astfel de radargrame.
- radare grele cu diversitate de antene: astfel de radare emit doar câteva impulsuri pe secundă, dar energia pulsului ajunge la 1-12 J. Acest lucru vă permite să îmbunătățiți semnificativ raportul semnal-zgomot și gama dinamică a georadarului și să primiți reflexii din multe straturi adânci sau lucru pe soluri grele și umede . Pentru a procesa radargramele, este necesar un software special, care este furnizat de producătorii unor astfel de GPR împreună cu GPR. Dezavantajele radarelor puternice includ pericolul expunerii radio a obiectelor biologice și o zonă „moartă” semnificativă (până la 2-3 metri de la suprafață). Există o opinie alternativă cu privire la problema expunerii radio a obiectelor biologice de către radarele puternice de penetrare a solului. Un georadar convențional are un singur record pentru multe lansări (acest lucru se datorează problemelor de digitalizare a semnalului). Heavy-duty - face doar câteva lansări pe secundă (acest lucru a dus la faptul că pentru aceste GPR-uri a fost necesar să se dezvolte un sistem de digitalizare a semnalului care nu are legătură cu conversia stroboscopică). Dacă calculăm energia emisă de georadar pe secundă, se dovedește că un georadar obișnuit trage foarte des, dar în impulsuri mici. Iar cea grea emite un impuls de amplitudine mare, dar rareori o face. Diferența de parametri este astfel încât, în al doilea caz, mai puțină energie radiată cade asupra obiectului biologic.
Pentru toate tipurile de radare de mai sus, este posibil să utilizați unul sau mai multe canale. În acest caz, este posibil să se împartă toate aceste GPR-uri în mai multe clase:
- GPR-uri cu un singur canal: astfel de GPR-uri au un transmițător și un receptor, majoritatea producătorilor de GPR au GPR-uri cu un singur canal.
- GPR-uri perechi multicanal: în astfel de GPR-uri există mai multe perechi de receptor-transmițător, astfel încât sondarea geoprofilului de la fiecare canal are loc simultan. Astfel de sisteme sunt comune printre mulți producători străini care sunt specializați în geoprofilarea suprafețelor drumurilor. Un astfel de sistem conține de fapt mai multe GPR-uri cu un singur canal și poate reduce semnificativ timpul de profilare. Dezavantajul unor astfel de sisteme este volumul lor (sunt mult mai mari decât cele cu un singur canal) și costul ridicat.
- Georadar multicanal cu deschidere de recepție sintetică: acesta este cel mai complex tip de georadar, în care există mai multe antene de recepție pe antenă de transmisie, care sunt sincronizate între ele. De fapt, astfel de GPR-uri sunt un analog al unei rețele de antene în faze. Principalul avantaj al unor astfel de sisteme este poziționarea mult mai precisă a obiectelor subterane - de fapt, ele funcționează pe principiul vederii stereo, ca și cum radarul ar avea mai mulți ochi de antenă. Principalul dezavantaj al unor astfel de sisteme îl reprezintă algoritmii de calcul foarte complecși care trebuie rezolvați în timp real, ceea ce duce la utilizarea unor componente electronice scumpe, de obicei bazate pe FPGA și GPGPU . În mod obișnuit, astfel de sisteme sunt utilizate numai în georadare grele cu diversitate de antene. În același timp, astfel de sisteme sunt mai rezistente la zgomot și permit obținerea unei imagini cât mai precise a distribuției constantei dielectrice în subteran.
Aplicație georadar
Sondajul georadar este o metodă instrumentală de diagnosticare, care este utilizată pentru a studia solurile de pe șantier, precum și fundațiile și structurile portante ale diferitelor obiecte. Cercetarea georadar se referă la metode nedistructive și vă permite să determinați structura solului sau a structurilor fără a foraj gropi și găuri. În plus, GPR vă permite să detectați goluri și comunicații de inginerie sub suprafața solului.
Vezi și
Literatură
- Probleme ale radarului subteran. Monografie colectivă / Ed. Grineva A. Yu. - M .: Inginerie radio, 2005.-416 p.: ill. ISBN 5-88070-070-4
- Radar subteran / Ed. Finkelstein M.I. - M.: Radio și comunicare, 1994
Note
- ↑ Budhu, M. (2011) Mecanica solului și fundația. Ediția a 3-a, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. vezi capitolul 3.5.1 Metode de explorare a solurilor
- ↑ [1] Arhivat 21 decembrie 2015 la Wayback Machine - video de principiu
Link -uri
Sondaj georadar