Markpenetrerande radar
Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från
versionen som granskades den 24 mars 2021; kontroller kräver
6 redigeringar .
Georadar - radar , för vilken det studerade mediet kan vara jorden, marken (därav det vanligaste namnet), sötvatten, berg. Georadar är en högfrekvent (från 10 MHz till 1000 MHz) metod för högupplösta elektromagnetiska vågor för att ta bilder av jordar och markstrukturer. Antennen används för att sända och återställa radarpulserna som genereras av pulsgeneratorn. Den returnerade pulsen bearbetas sedan för att erhålla jordprofilbilder. De huvudsakliga geotekniska tillämpningarna är markprofilavbildning och lokalisering av nedgrävda föremål. GPR ger en kontinuerlig upplösningsbild av markprofilen med mycket liten markstörning. GPR är inte lämplig för våta leror och starkt ledande silt (0,15 milliohm/m). GPR-upplösningen minskar med djupet [1] .
Georadar design
En modern georadar är en komplex elektronisk enhet, vars komponenter utför följande funktioner:
- bildandet av pulser som sänds ut av sändningsantennen;
- behandling av signaler som kommer från den mottagande antennen;
- synkronisering av hela systemet.
Georadaren består alltså av tre huvuddelar: antenndelen, registreringsenheten och styrenheten.
Antenndelen inkluderar sändande och mottagande antenner. Registreringsenheten förstås som en bärbar dator eller annan inspelningsenhet, och kontrollenhetens roll utförs av ett system av kablar och optisk-elektriska omvandlare.
Historik om GPR-utveckling
Georadar-utveckling utfördes i olika länder i Europa, Amerika, Ryssland, Sovjetunionen. På basis av experiment i naturliga förhållanden studerades metoder för att konstruera specialiserade radarer för att låta relativt tunna högabsorberande media. Användningen av antennchock-excitering gjorde det möjligt att uppskatta de elektriska egenskaperna hos havsis vid olika frekvenser. Den första radarmätningen av havsisens tjocklek utfördes 1971 med den metod för syntetiserad videopulssignal som M. I. Finkelstein föreslog 1969 . Denna metod användes i den första industriella radarmätaren för havsistjocklek "Aquamarine".
1973 bevisades möjligheten att upptäcka och mäta djupet av akviferer i ökenregionerna i Centralasien från ett flygplan. Vi använde en radar utvecklad vid RIIGA med anslagsexcitering av antennen genom pulser med en varaktighet på 50 ns och en mittfrekvens av spektrumet på cirka 65 MHz. Sonddjupet visade sig vara mer än 20 m vid en flyghöjd på 200 ... 400 m. Liknande arbete utfördes för kalksten 1974 , för frusna stenar - 1975 .
Användningen av bländarsyntesmetoden i radarsystemet installerat ombord på rymdfarkosten Apollo 17 för att studera månens yta bör påpekas . Systemet testades 1972 från ett flygplan över Grönlands glaciärer vid en frekvens på 50 MHz med en pulslängd med en linjär moduleringsfrekvens på 80 µs (kompressionsförhållande 128).
Serieprover av georadar började dyka upp i början av 70-talet. I mitten av 1980-talet ökade intresset för GPR på grund av ytterligare ett steg i utvecklingen av elektronik och datorteknik. Men som erfarenheten har visat var denna utveckling otillräcklig. Arbetskostnaderna för bearbetning av material kunde inte betala sig fullt ut och intresset för GPR sjönk igen. På 90-talet, när ytterligare en vetenskaplig och teknisk revolution ägde rum, och persondatorer blev mer tillgängliga, ökade intresset för GPR igen och har inte försvagats hittills.
Sedan slutet av 1990-talet har forskningskonferenser ägnat denna metod regelbundet hållits. Specialnummer av tidskrifter ges ut.
Hur det fungerar
Underjordslodande radarer är utformade för att studera dielektriska medier genom att ändra den dielektriska konstanten och/eller den elektriska ledningsförmågan. Oftast används markpenetrerande radarer för ingenjörsmässig och geoteknisk undersökning av jordar och oförstörande provning av (icke-metalliska) byggnadskonstruktioner.
Funktionsprincipen för de flesta moderna georadar [2] är densamma som för konventionella pulsradarer . En elektromagnetisk våg strålar in i mediet som studeras, vilket reflekteras från sektionerna av media och olika inneslutningar. Den reflekterade signalen tas emot och registreras av GPR.
För närvarande kan de flesta massproducerade radargrupper grupperas i flera undertyper som skiljer sig åt i de grundläggande principerna för drift:
- stroboskopiska markpenetrerande radar: sådana radarer avger huvudsakligen pulser med låg energi, cirka 0,1-1 μJ, men ganska många sådana pulser sänds ut 40-200 tusen pulser per sekund. Med hjälp av den stroboskopiska effekten kan du få ett mycket exakt svep - ett radargram i tid. Faktum är att medelvärdet av data från ett stort antal pulser kan förbättra signal-brusförhållandet avsevärt. Samtidigt medför en effekt på 0,1–1 μJ allvarliga begränsningar för sådana pulsers penetrationsdjup. Typiskt används sådana radarer för att mäta djup upp till 10 meter. Men i vissa fall når den "penetrerande" förmågan mer än 20 meter.
- svagpulsradar: sådana radarer avger betydligt mindre än 500-1000 pulser per sekund, effekten av varje sådan puls är redan betydligt högre och når 100 μJ. Genom att digitalisera en punkt i varje sådan puls med olika skift från början är det möjligt att erhålla ett radargram i tidsdomänen utan grindning. Samtidigt gör en sådan anordning det möjligt att ta ungefär ett radargram per sekund och tillåter praktiskt taget inte användningen av medelvärde för att förbättra signal-brusförhållandet. Detta gör att du kan ta emot radargram från tiotals meters djup, men endast en specialutbildad specialist kan tolka sådana radargram.
- kraftiga radar med antenndiversitet: sådana radarer avger bara några få pulser per sekund, men pulsenergin når 1-12 J. Detta gör att du avsevärt kan förbättra signal-brusförhållandet och georadarns dynamiska omfång och ta emot reflektioner från många djupa lager eller arbete på tunga och våta jordar. För att bearbeta radargram krävs speciell programvara, som tillhandahålls av tillverkarna av sådana GPR:er med GPR. Nackdelarna med kraftfulla radarer inkluderar risken för radioexponering av biologiska föremål och en betydande (upp till 2-3 meter från ytan) "död" zon. Det finns en alternativ åsikt i frågan om radioexponering av biologiska föremål med kraftiga markpenetrerande radarer. En konventionell georadar tar ett rekord för många lanseringar (detta beror på problemen med signaldigitalisering). Heavy-duty - gör bara ett fåtal lanseringar per sekund (detta ledde till att det för dessa GPR var nödvändigt att utveckla ett signaldigitaliseringssystem som inte var relaterat till stroboskopisk konvertering). Om vi beräknar energin som sänds ut av georadarn per sekund, visar det sig att en vanlig georadar skjuter väldigt ofta, men i små pulser. Och den kraftiga ger ut en impuls med stor amplitud, men gör det sällan. Skillnaden i parametrar är sådan att i det andra fallet faller mindre utstrålad energi på det biologiska objektet.
För alla ovanstående typer av radar är det möjligt att använda en eller flera kanaler. I det här fallet är det villkorligt möjligt att dela upp alla dessa GPR i flera fler klasser:
- enkanals GPR: sådana GPR:er har en sändare och en mottagare, de flesta GPR-tillverkare har enkanals GPR.
- flerkanalsparade GPR:er: i sådana GPR finns flera par mottagare-sändare, så att undersökningen av geoprofilen från varje kanal sker samtidigt. Sådana system är vanliga bland många utländska tillverkare som är specialiserade på geoprofilering av vägytor. Ett sådant system innehåller faktiskt flera enkanaliga GPR:er och kan avsevärt minska profileringstiden. Nackdelen med sådana system är deras skrymmande (de är mycket större än enkanaliga) och höga kostnader.
- flerkanals georadar med en syntetisk mottagningsöppning: detta är den mest komplexa typen av georadar, där det finns flera mottagningsantenner per sändarantenn, som är synkroniserade med varandra. I själva verket är sådana GPR:er en analog till en fasstyrd antennuppsättning. Den största fördelen med sådana system är mycket mer exakt positionering av föremål under jorden - i själva verket fungerar de på principen om stereoseende, som om radarn hade flera antennögon. Den största nackdelen med sådana system är mycket komplexa beräkningsalgoritmer som måste lösas i realtid, vilket resulterar i användningen av dyra elektroniska komponenter, vanligtvis baserade på FPGA :er och GPGPU: er . Typiskt används sådana system endast i tunga georadarer med antenndiversitet. Samtidigt är sådana system mer bullerbeständiga och gör det möjligt att få den mest exakta bilden av fördelningen av dielektricitetskonstanten under jord.
Georadar-applikation
Georadarundersökning är en instrumentell metod för diagnostik, som används för att studera jordar på en byggarbetsplats, samt fundament och bärande konstruktioner av olika objekt. Georadar-forskning hänvisar till oförstörande metoder och låter dig bestämma strukturen på jorden eller strukturerna utan att borra gropar och borra hål. Dessutom låter GPR dig upptäcka tomrum och teknisk kommunikation under markytan.
Se även
Litteratur
- Problem med underjordisk radar. Kollektiv monografi / Ed. Grineva A. Yu. - M .: Radioteknik, 2005.-416 s.: ill. ISBN 5-88070-070-4
- Underjordisk radar / Ed. Finkelstein M.I. - M .: Radio och kommunikation, 1994
Anteckningar
- ↑ Budhu, M. (2011) Jordmekanik och grund. 3:e upplagan, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. se kapitel 3.5.1 Markundersökningsmetoder
- ↑ [1] Arkiverad 21 december 2015 på Wayback Machine - principvideo
Länkar
Georadar-undersökning