Георадар

Вве­де­ние

За­да­ча отыс­ка­ния раз­лич­ных пред­ме­тов (ме­тал­ли­чес­ких и не­ме­тал­ли­чес­ких), пус­тот и дру­гих не­од­но­род­нос­тей, на­хо­дя­щих­ся под по­вер­хностью зем­ли (во­ды), очень ак­ту­аль­на при про­ве­де­нии стро­и­тель­ных и ар­хе­о­ло­ги­чес­ких ра­бот, та­мо­жен­но­го до­смот­ра, а так­же во мно­гих дру­гих сфе­рах хо­зяй­ствен­ной де­я­тель­нос­ти.

Ре­ше­ние этих за­дач воз­мож­но с ис­поль­зо­ва­ни­ем маг­нит­ных, акус­ти­чес­ких, уль­т­ра­зву­ко­вых и дру­гих об­на­ру­жи­те­лей.

Очень эф­фек­тив­но мно­гие из по­до­б­ных за­дач мо­гут быть ре­ше­ны без вскры­тия сре­ды и про­ве­де­ния рас­ко­поч­ных ра­бот с по­мощью ге­о­ра­ди­о­ло­ка­то­ра (ге­о­ра­да­ра).

В на­сто­я­щей статье при­ве­де­ны ха­рак­те­рис­ти­ки уни­фи­ци­ро­ван­но­го ге­о­ра­да­ра, со­здан­но­го фир­мой «Ло­ги­чес­кие сис­те­мы» и НИИ При­бо­рос­тро­е­ния (г. Жу­ков­с­кий) в ре­зуль­та­те за­вер­шен­но­го цик­ла ОКР с использованием антенных разработок кафедры расп­ространения радиоволн МФТИ.

Ге­о­ра­дар со­сто­ит из бло­ка об­ра­бот­ки, бло­ка пи­та­ния и ком­плек­та смен­ных ан­тенн:

• оан­тен­ны (при­ем­ная и пе­ре­да­ю­щая) боль­шой глу­би­ны зон­ди­ро­ва­ния;
• ан­тен­ны сред­ней глу­би­ны зон­­ди­ро­ва­ния;
• оан­тен­ны вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния.

На­зна­че­ние, при­нцип дей­ст­вия, тех­ни­чес­кие ха­рак­те­рис­ти­ки

Ге­о­ра­да­ры пред­на­зна­ча­ют­ся для

• об­на­ру­же­ния под зем­лей (под во­дой) ме­тал­ли­чес­ких и не­ме­тал­ли­чес­ких пред­ме­тов;
• отыс­ка­ния тру­боп­ро­во­дов и про­дук­топ­ро­во­дов;
• кон­тро­ля ка­чес­т­ва пок­ры­тия аэрод­ро­мов и ав­то­мо­биль­ных до­рог, об­на­ру­же­ния про­мо­ин под пок­ры­ти­ем аэрод­ро­мов, ав­то­до­рог и же­лез­но­до­рож­но­го пол­от­на;
• об­на­ру­же­ния про­те­чек в про­дук­топ­ро­во­дах;
• оп­ре­де­ле­ния глу­би­ны про­мер­за­ния грун­та и уров­ня грун­то­вых вод;
• ар­хе­о­ло­ги­чес­ких ра­бот и т. п.

Пос­тро­е­ние при­бо­ра ос­но­ва­но на ис­поль­зо­ва­нии клас­си­чес­ких при­нци­пов ра­дио­ло­ка­ции.

Од­на­ко, в от­ли­чие от обыч­но­го ра­дио­ло­ка­то­ра, пе­ре­да­ю­щей ан­тен­ной при­бо­ра из­лу­ча­ют­ся им­пуль­сы ма­лой дли­тель­нос­ти (еди­ни­цы на­но­се­кунд), име­ю­шие 2–3 по­лу­пе­ри­о­да ква­зи­гар­мо­ни­чес­ко­го сиг­на­ла и до­ста­точ­но ши­ро­кий спектр из­лу­че­ния. Цен­траль­ная час­то­та сиг­на­ла для опи­сы­ва­е­мо­го ге­о­ра­да­ра со­став­ля­ет 250, 700 или 1300 МГц в за­ви­си­мос­ти от ти­па ан­тенн.

Вы­бор дли­тель­нос­ти им­пуль­са оп­ре­де­ля­ет­ся не­об­хо­ди­мой глу­би­ной зон­ди­ро­ва­ния и раз­ре­ша­ю­щей спо­соб­ностью при­бо­ра.

Для фор­ми­ро­ва­ния та­ких им­пуль­сов ис­поль­зу­ет­ся воз­буж­де­ние ши­ро­ко­по­лос­ной пе­ре­да­ю­щей ан­тен­ны пе­ре­па­дом на­пря­же­ния.

Из­лу­чен­ный в ис­сле­ду­е­мую сре­ду им­пульс от­ра­жа­ет­ся от на­хо­дя­щих­ся в ней пред­ме­тов или не­од­но­род­нос­тей сре­ды, име­ю­щих от­лич­ную от сре­ды ди­э­лек­три­чес­кую про­ни­ца­е­мость или про­во­ди­мость (ме­талл, пус­то­ты, дру­гая сре­да и т. п.), при­ни­ма­ет­ся ши­ро­ко­по­лос­ной при­ем­ной ан­тен­ной, уси­ли­ва­ет­ся в ши­ро­ко­по­лос­ном уси­ли­те­ле, при по­мо­щи ана­ло­гоциф­ро­во­го пре­об­ра­зо­ва­те­ля (АЦП) пре­об­ра­зу­ет­ся в циф­ро­вой вид и за­по­ми­на­ет­ся в до­л­гов­ре­мен­ном за­по­ми­на­ю­щем ус­трой­ст­ве (ДЗУ) для пос­ле­ду­ю­щей об­ра­бот­ки. Од­нов­ре­мен­но ин­фор­ма­ция пос­ту­па­ет на об­ра­бот­ку в вы­чис­ли­тель­ную сис­те­му. Пос­ле об­ра­бот­ки по­лу­чен­ная ин­фор­ма­ция ото­бра­жа­ет­ся на ин­ди­ка­то­ре.

При не­об­хо­ди­мос­ти эта ин­фор­ма­ция мо­жет быть вы­ве­де­на для даль­ней­ше­го ана­ли­за на ПЭВМ IBM PC.

Ха­рак­те­рис­ти­ки со­здан­но­го при­бо­ра при­ве­де­ны в таб­ли­це 1.

На ба­зе раз­ра­бо­тан­но­го при­бо­ра воз­мож­но со­зда­ние ге­о­ра­да­ра с глу­би­ной зон­ди­ро­ва­ния 20-40 мет­ров при ос­на­ще­нии его ан­тен­на­ми со сред­ней час­то­той спек­т­ра сиг­на­ла 70-100 МГц.

На рис. 1 при­ве­де­на фо­то­гра­фия об­ще­го ви­да ге­о­ра­да­ра с ан­тен­на­ми сред­ней глу­би­ны зон­ди­ро­ва­ния, на рис. 2 — с ан­тен­на­ми боль­шой глу­би­ны зон­ди­ро­ва­ния.

Не­ко­то­рые ре­зуль­та­ты испытаний

Пол­евые ис­пы­та­ния про­во­ди­лись на по­ли­го­не ТОО «ЛО­ГИС», на взлет­ной пол­осе аэрод­ро­ма «Вну­ко­во», на во­до­еме и на же­лез­но­до­рож­ной плат­фор­ме, за­гру­жен­ной гра­ви­ем.

На по­ли­го­не ТОО «ЛО­ГИС» для про­ве­де­ния ис­пы­та­ний ис­поль­зо­вал­ся ма­кет же­лез­но­до­рож­но­го по­лу­ва­го­на с ме­тал­ли­чес­кой об­шив­кой, за­сы­пан­ный пес­ком, с вло­же­ни­ем в не­го раз­лич­ных ме­тал­ли­чес­ких (тру­ба, плас­ти­ны ме­тал­ла) и не­ме­тал­ли­чес­ких (де­ре­вян­ный ящик) пред­ме­тов.

По­иск вло­жен­ных пред­ме­тов осу­щес­твлял­ся по­пе­ре­мен­но с ан­тен­на­ми боль­шой и сред­ней глу­би­ны зон­ди­ро­ва­ния пу­тем ска­ни­ро­ва­ния ан­тен­ным бло­ком по по­вер­хнос­ти пес­ка, за­пол­ня­ю­ще­го ма­кет ва­го­на.

Все пред­ме­ты, вло­жен­ные в пе­сок, бы­ли не­од­нок­рат­но об­на­ру­жены, ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний вы­ве­де­ны на ПЭВМ IBM PC и рас­пе­ча­та­ны.

На рис. 3а при­ве­де­на рас­пе­чат­ка ре­зуль­та­тов зон­ди­ро­ва­ния с по­мощью ан­тенн сред­ней глу­би­ны зон­ди­ро­ва­ния (без об­ра­бот­ки). На рас­пе­чат­ке от­чет­ли­во вид­ны сиг­на­лы, от­ра­жен­ные от на­клон­но­го и го­ри­зон­таль­но рас­по­ло­жен­но­го ме­тал­ли­чес­ких лис­тов.


Сигналы от зарытых на глубине 100-110 см наклонного металлического листа и металлической полоски шириной 40 см. Размер антенны 16×16 и 10×10 см.
Шаг перемещения антенн 10 см.

На рис. 4 при­ве­де­на рас­пе­чат­ка трех­мер­но­го изо­бра­же­ния сиг­на­ла от де­ре­вян­но­го пус­то­го ящи­ка, за­ры­то­го на глу­би­не 1 м. На рас­пе­чат­ке чет­ко про­смат­ри­ва­ет­ся так­же ме­тал­ли­чес­кий пол ма­ке­та ва­го­на.

При ис­сле­до­ва­нии ан­тен­на­ми сред­ней глу­би­ны зон­ди­ро­ва­ния же­лез­но­до­рож­ной плат­фор­мы с гра­ви­ем бы­ла об­на­ру­же­на ме­тал­ли­чес­кая кон­сер­в­ная бан­ка, за­ры­тая на уда­ле­нии 0,1 м от ме­тал­ли­чес­ких сте­нок в уг­лу плат­фор­мы на глу­би­не 0,6 м.

На рис. 5 при­ве­де­ны ре­зуль­та­ты ло­ка­ции пок­ры­то­го льдом во­до­ема, по­лу­чен­ные с по­мощью ан­тенн боль­шой глу­би­ны зон­ди­ро­ва­ния.


Размер антенны 40×40 см, шаг перемещения 20 см

До­пол­ни­тель­ная об­ра­бот­ка сигна­лов ге­о­ра­да­ра

При зон­ди­ро­ва­нии сре­ды на вход при­ем­ни­ка ге­о­ра­да­ра, кро­ме пол­ез­но­го сиг­на­ла, по­па­да­ют пря­мой сиг­нал, про­ни­ка­ю­щий не­пос­ред­ствен­но из пе­ре­да­ю­щей ан­тен­ны в при­ем­ную, а так­же сиг­нал, от­ра­жен­ный от по­вер­хнос­ти зем­ли.

Кро­ме то­го, из-за ши­ро­кой ди­аг­рам­мы на­прав­лен­нос­ти ан­тенн к сиг­на­лам в мес­те зон­ди­ро­ва­ния при­ме­ши­ва­ют­ся сиг­на­лы от дру­гих пред­ме­тов, на­хо­дя­щих­ся на по­вер­хнос­ти, что за­труд­ня­ет вы­де­ле­ние сиг­на­лов в за­дан­ном мес­те.

Для умень­ше­ния вли­я­ния пе­ре­чис­лен­ных фак­то­ров, кро­ме схе­мо­тех­ни­чес­ких ме­то­дов се­лек­ции пол­ез­но­го сиг­на­ла, раз­ра­бо­та­ны ал­го­рит­мы и про­грам­мы об­ра­бот­ки сиг­на­лов. В на­сто­я­щее вре­мя в ге­о­ра­дар внед­ре­ны сле­ду­ю­щие ме­то­ды об­ра­бот­ки:

• вы­чи­та­ние по­мех;
• сжа­тие сиг­на­ла по глу­би­не (де­кон­во­лю­ция);
• син­тез апер­ту­ры (ме­тод миг­ра­ции);
• вы­чи­та­ние трен­да;
• пол­осо­вая филь­тра­ция и т. д.

Не­ко­то­рые ме­то­ды об­ра­бот­ки бо­лее под­роб­но опи­са­ны во врез­ке.



В статье при­во­дят­ся ре­зуль­та­ты зон­ди­ро­ва­ния в раз­лич­ных сре­дах при ис­поль­зо­ва­нии ма­те­ма­ти­чес­ких ме­то­дов об­ра­бот­ки сиг­на­лов ге­о­ра­да­ра.

На рис. 6а пред­став­ле­ны ре­зуль­та­ты зон­ди­ро­ва­ния ге­о­ра­да­ром с ан­тен­на­ми вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния ош­ту­ка­ту­рен­ной кир­пич­ной сте­ны тол­щи­ной 0,4 м при на­ли­чии пред­ме­тов за сте­ной (ме­тал­ли­чес­кой ар­ма­ту­ры) без об­ра­бот­ки. На рис. 6б и 3б по­ка­за­ны ре­зуль­та­ты об­ра­бот­ки дан­ных зон­ди­ро­ва­ния с по­мощью ме­то­дов вы­чи­та­ния и миг­ра­ции.


Ана­лиз по­ка­зы­ва­ет, что в ря­де слу­ча­ев ис­поль­зо­ва­ние до­пол­ни­тель­ной об­ра­бот­ки сиг­на­лов су­щес­твен­но по­вы­ша­ет раз­ре­ша­ю­щую спо­соб­ность ге­о­ра­да­ра.

На рис. 7 при­ве­де­ны ре­зуль­та­ты зон­ди­ро­ва­ния пок­ры­тия лет­но­го по­ля (аэрод­ром «Вну­ко­во») с целью оп­ре­де­ле­ния од­но­род­нос­ти грун­та (от­сут­ст­вия про­мо­ин и дру­гих на­ру­ше­ний) под пли­та­ми аэрод­ро­ма.


Результаты зондирования взлетно-посадочной полосы аэропорта «Внуково».
Размер антенны 40×40 см. Шаг перемещения 25 см

Ис­сле­до­ва­ние про­во­ди­лось ан­тен­на­ми боль­шой глу­би­ны зон­ди­ро­ва­ния. На ри­сун­ке яс­но раз­ли­ча­ет­ся сло­ис­тая струк­ту­ра зон­ди­ру­е­мой сре­ды, от­чет­ли­во вид­на гра­ни­ца меж­ду пли­та­ми, так как в рай­оне сты­ков плит име­ет­ся ме­тал­ли­чес­кая ар­ма­ту­ра.

Вы­во­ды

1. Ис­пы­та­ния по­ка­за­ли,  что ге­о­ра­дар обес­пе­чи­ва­ет уве­рен­ное об­на­ру­же­ние пред­ме­тов под зем­лей и под во­дой, а так­же внут­ри на­сып­ных гру­зов, на­хо­дя­щих­ся в ме­тал­ли­чес­ких ку­зо­вах ав­то­мо­би­лей, же­лез­но­до­рож­ных ва­го­нах и трю­мах ко­раб­лей. При этом от­ра­же­ния от ме­тал­ли­чес­ких сте­нок не ме­ша­ют об­на­ру­же­нию да­же при не­боль­шом уда­ле­нии пред­ме­та от стен­ки.
2. Ре­а­ли­зо­ван­ные в со­здан­ном ге­о­ра­да­ре ма­те­ма­ти­чес­кие ме­то­ды об­ра­бот­ки сиг­на­лов ге­о­ра­да­ра во мно­гих слу­ча­ях су­щес­твен­но по­вы­ша­ют раз­ре­ша­ю­щую спо­соб­ность и ве­ро­ят­ность пра­виль­но­го об­на­ру­же­ния пред­ме­тов и не­од­но­род­нос­тей.
3. Для улуч­ше­ния ка­чес­т­ва зон­ди­ро­ва­ния и бо­лее де­таль­но­го ис­сле­до­ва­ния про­ве­ря­е­мых учас­т­ков мес­тнос­ти, гру­зов и т. п. це­ле­со­об­раз­но ком­плек­с­ное ис­поль­зо­ва­ние ан­тенн с раз­лич­ной глу­би­ной зон­ди­ро­ва­ния и раз­ре­ша­ю­щей спо­соб­ностью. ●

Литература

1. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и связи/ Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1985.

В.В. Помозов, Н.П. Семейкин,Ю.Н. Семей­кин, А.А. Никифоров,О.А. Поцепня, В.И. Флоринский —  сотрудники фирмы «Логис»

© СТА-ПРЕСС, 2025

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!