Георадар - Ground-penetrating radar

Географическая радарограмма, собранная на историческом кладбище в г. Алабама, нас Гиперболический прибытия (стрелки) указывают на наличие дифракторов, похороненных под поверхностью, возможно связанных с захоронениями людей. Также присутствуют отражения от слоистости почвы (пунктирные линии).

Георадар (Георадар) это геофизический метод, который использует радар импульсы к изображение недра. Это неинтрузивный метод исследования недр для исследования подземных коммуникаций, таких как бетон, асфальт, металлы, трубы, кабели или кладка.[1] Этот неразрушающий метод использует электромагнитное излучение в микроволновая печь группа (УВЧ /УКВ частоты) радиоспектр, и обнаруживает отраженные сигналы от подземных структур. Георадар может применяться в различных средах, включая камни, почву, лед, пресную воду, тротуары и конструкции. В подходящих условиях специалисты-практики могут использовать георадар для обнаружения подземных объектов, изменений свойств материала, пустот и трещин.[2]

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 погребенный объект или границу между материалами, имеющими разные диэлектрические проницаемости, он может отражаться, преломляться или рассеиваться обратно на поверхность. Приемная антенна может записывать изменения в обратном сигнале. Используемые принципы аналогичны сейсмология, кроме методов георадара, реализуют электромагнитную энергию, а не акустический энергия и энергия могут отражаться на границах, на которых изменяются подземные электрические свойства, а не подземные механические свойства, как в случае с сейсмической энергией.

В электрическая проводимость земли, переданный центр частота, и излучаемая мощность может ограничивать эффективный диапазон глубин георадарного исследования. 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 улучшить разрешающая способность. 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 конкретный имеют тенденцию быть резистивными, а не 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.

Георадар антенны обычно находятся в контакте с землей для получения самого сильного сигнала; однако антенны георадара, запускаемые с воздуха, могут использоваться и над землей.

Кросс-скважинный георадар разработан в области гидрогеофизика быть ценным средством оценки наличия и количества почвенная вода.

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 улучшенному разрешению по глубине. Глубина ледника была измерена с помощью георадара в 1929 году У. Штерном.[3]

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.[3]

В 1972 году на миссии Apollo 17 был обнаружен наземный радар под названием ALSE (Эксперимент с лунным эхолотом Аполлона) на орбите вокруг Луны. Он смог записать информацию о глубине до 1,3 км и записать результаты на пленку из-за отсутствия подходящего компьютерного хранилища в то время.[4]

Приложения

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

Георадар имеет множество применений во многих областях. в Науки о Земле он используется для изучения коренная порода, почвы, грунтовые воды, и лед. Он имеет некоторую полезность при поисках золотых самородков и алмазов в пластах аллювиального гравия путем обнаружения естественных ловушек в погребенных руслах ручьев, которые могут накапливать более тяжелые частицы.[5] Китайский луноход Юту На нижней стороне находится георадар для исследования почвы и коры Луны.

Инженерные приложения включают неразрушающий контроль (NDT) конструкций и тротуаров, определение местоположения заглубленных сооружений и инженерных коммуникаций, а также изучение грунтов и коренных пород. В восстановление окружающей среды, Георадар используется для определения свалок, загрязняющих шлейфов и других участков рекультивации, в то время как в археология он используется для отображения археологические особенности и кладбища. 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.[6]

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 Channel 4 Команда времени который использовал эту технологию для определения подходящего участка для исследования путем раскопок. В 1992 году GPR был использован для взыскания 150 000 фунтов стерлингов наличными у похитителя. Майкл Сэмс полученный в качестве выкупа за агента по недвижимости, которого он похитил после того, как Сэмс закопал деньги в поле.[7]

Археология

Георадарная съемка - один из методов, используемых в археологическая геофизика. Георадар может использоваться для обнаружения и картирования подземных археологических артефакты, Особенности, и узор.[8]

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. В случае георадара сигнал радара - электромагнитный импульс - направляется в землю (важно не путать георадарную съемку с электромагнитной съемкой). недавнее обследование городища железного века в Хэмпшире недавно выявили расхождения между магнитометрией, ЭМ и георадарами на одной и той же территории). 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 артефакты и карта Особенности 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.[9]

Военный

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 удельное электрическое сопротивление и электромагнитная индукция методы.

В мае 2020 года американские военные заказали у компании Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES) радиолокационную систему дальнего обнаружения для обнаружения самодельные взрывные устройства (СВУ) закопаны в проезжей части по сделке на 200,2 миллиона долларов.[10]

Локализация автомобиля

Был продемонстрирован недавний новый подход к локализации транспортных средств с использованием предшествующих картографических изображений с георадара. Названный «Локализирующий радар обнаружения земли» (LGPR), была продемонстрирована точность сантиметрового уровня на скорости до 60 миль в час.[11] Работа с замкнутым контуром была впервые продемонстрирована в 2012 году для автономного управления транспортным средством и введена в боевую эксплуатацию в 2013 году.[11] Сантиметровая локализация скорости на шоссе во время ночной метели была продемонстрирована в 2016 году.[12][13]

Трехмерное изображение

Отдельные строки георадарных данных представляют собой разрез (профиль) геологической среды. Несколько строк данных, систематически собираемых по территории, могут использоваться для построения трехмерных или томографический 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 времени стало стандартной практикой в археологические приложения, потому что горизонтальные паттерны часто являются наиболее важным показателем культурной активности.[14]

Ограничения

Наиболее существенное ограничение производительности георадара связано с материалами с высокой проводимостью, такими как глинистые почвы и почвы, загрязненные солями. Производительность также ограничена 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 указанную 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.[15]

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 радиолокационному сигналу, чтобы отразиться 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 г. Европейский институт телекоммуникационных стандартов ввел законодательство, регулирующее использование георадарного оборудования и операторов георадаров для контроля избыточных выбросов электромагнитного излучения.[16] Европейская ассоциация георадара (EuroGPR) была создана как торговая ассоциация для представления и защиты законного использования георадара в Европе.

Подобные технологии

Радиолокационная станция подземного проникновения использует различные технологии для генерации радиолокационного сигнала: это импульсные,[17] ступенчатая частота, частотно-модулированная непрерывная волна (FMCW ) и шум. Системы, представленные на рынке в 2009 году, также используют Цифровая обработка 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 такого типа радара довольно мала (20–30 см), но бокового разрешения достаточно, чтобы различать различные типы наземных мин в почве или полостей, дефектов, подслушивающих устройств или других скрытых объектов в стенах, полах и конструктивные элементы.[18][19]

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

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.[20][21][22]

Радар, проникающий через стены, может считывать неметаллические конструкции, что впервые продемонстрировали ASIO и Австралийская полиция в 1984 году во время опроса бывшего Посольство России в Канберре. Показали полиции, как наблюдать за людьми на расстоянии до двух комнат по бокам и сквозь этажи по вертикали, могли видеть металлические глыбы, которые могли быть оружием; Георадар может даже действовать как датчик движения для военной охраны и полиции.

Компания SewerVUE Technology, занимающаяся продвинутой 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» стремится разработать систему, чтобы определить, наземные мины присутствуют в областях, использующих сверхширокополосный радар с синтезированной апертурой блоки, установленные на дирижабли.

Рекомендации

  1. ^ «Как работает радиолокатор наземного зондирования». Tech27.
  2. ^ Дэниэлс DJ (редактор) (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 (связь)
  3. ^ а б «История наземной радиолокационной техники». Ingenieurbüro obonic. В архиве из оригинала 2 февраля 2017 г.. Получено 13 февраля 2016.
  4. ^ «Радиолокационная система лунного эхолота Аполлона» - Труды IEEE, июнь 1974 г.
  5. ^ Wilson, M.G.C .; 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. Дои:10.2113 / gssajg.109.3.301. В архиве (PDF) из оригинала 5 июля 2013 г.. Получено 9 декабря 2012.
  6. ^ Хофингхофф, Ян-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. Дои: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; Smith, M.A .; Фуллагар, Ричард (2014). «Георадар и методы захоронения в западной части Арнемленда, Австралия». Археология в Океании. 49 (3): 148–157. Дои: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. Дои:10.1088 / 1742-2132 / 7/2 / S05.
  10. ^ «Армия заказала 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. Дои:10.1002 / rob.21605. ISSN  1556-4967.
  12. ^ Обеспечение автономного движения транспортных средств по снегу с помощью локализирующего георадара (видео). Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института. 24 июня 2016 г. В архиве из оригинала 19 января 2017 г.. Получено 31 мая 2017 - 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 оригинал 31 мая 2017 г.. Получено 31 мая 2017.
  14. ^ Конайерс, Лоуренс Б. и Дин Гудман 1997 Наземный радар: Введение для археологов. Уолнат-Крик, Калифорния: Altamira Press
  15. ^ «Драгоценные камни и технологии - Vision Underground». Проект Ганоксин. В архиве из оригинала 22 февраля 2014 г.. Получено 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. ^ «Генератор импульсов для георадара» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала 18 апреля 2015 г.. Получено 25 марта 2013.
  18. ^ Журавлев, А.В .; Ивашов, С.И .; Разевиг, В.В .; Васильев, И.А .; Türk, A.S .; Кизилай, А. (2013). Голографический радар для визуализации подповерхностных изображений для применения в гражданском строительстве (PDF). Международная радиолокационная конференция IET. Сиань, Китай: IET. Дои:10.1049 / cp.2013.0111. В архиве (PDF) из оригинала 29 сентября 2013 г.. Получено 26 сентября 2013.
  19. ^ Ивашов, С. И .; Разевиг, В. В .; Васильев, И. А .; Журавлев, А. В .; Bechtel, T. D .; 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. Дои:10.1109 / JSTARS.2011.2161755. S2CID  12663279. В архиве (PDF) из оригинала 29 сентября 2013 г.. Получено 26 сентября 2013.
  20. ^ "Наземные радиолокационные системы (GPR) - Мерфизические исследования". www.murphysurveys.co.uk. В архиве с оригинала 10 сентября 2017 г.. Получено 10 сентября 2017.
  21. ^ Ékes, C .; Neducza, B .; Такач, П. (2014). Материалы 15-й Международной конференции по наземным радиолокаторам.. С. 368–371. Дои:10.1109 / ICGPR.2014.6970448. ISBN  978-1-4799-6789-6. S2CID  22956188.
  22. ^ "Международная встреча по технологии No-Dig в Сингапуре - журнал бестраншейных технологий". Журнал бестраншейных технологий. 30 декабря 2010 г.. Получено 10 сентября 2017.

дальнейшее чтение

Обзор научных и инженерных приложений можно найти в:

  • Йол, Х.М., изд. (2008). Теория и приложения наземных радиолокаторов. 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: B.T. Batsford Ltd.
  • Коньерс, Л. Б. (2004). Георадар для археологии. Уолнат-Крик, Калифорния, США: AltaMira Press Ltd.
  • Гаффни, Крис; Джон Гэйтер (2003). Раскрытие погребенного прошлого: геофизика для археологов. Страуд, Великобритания: Темпус.

внешняя ссылка