Что такое наземный радар (GPR)?

Проникающий радар (GPR) - это общий термин, применяемый к методам, которые используют радиоволны, обычно в диапазоне частот от 1 до 1000 МГц, для картирования структур и объектов, скрытых в земле (или в искусственных сооружениях). Исторически георадар был в первую очередь ориентирован на картографирование структур на земле; в последнее время георадар стал использоваться для неразрушающего контроля неметаллических конструкций.

Концепция применения радиоволн для исследования внутренней структуры земли не нова. Без сомнения, самой успешной ранней работой в этой области было использование радиолокационных эхолотов для картирования толщины ледяных щитов в Арктике и Антарктике и измерения толщины ледников. Работа с георадаром в безледных условиях началась в начале 1970-х годов. Ранние работы были сосредоточены на внесении в почву вечной мерзлоты.

Применение георадара ограничено только воображением и наличием подходящего оборудования. В наши дни георадар используется во многих различных областях, включая обнаружение подземных коммуникаций, оценку шахтных площадок, судебно-медицинские исследования, археологические раскопки, поиск заглубленных наземных мин и неразорвавшихся боеприпасов, а также измерение толщины и качества снега и льда для управления горнолыжными склонами и прогнозирования лавин назвать несколько.

Как это работает?

Георадар - это как эхолот и эхолот

Что такого сложного в георадарах?

Почему труба не похожа на трубу?

• запись георадара представляет собой псевдоизображение земли
• локализованные функции становятся гиперболами (перевернутые буквы V)
• георадар посылает сигналы в землю во всех направлениях
• эхо наблюдается со всех сторон
• наибольшее сближение (над целью) происходит на вершине V
• форма перевернутой буквы V помогает определить точную глубину

Какова глубина проникновения для георадара?

«Как глубоко вы можете видеть?» - это наиболее частый вопрос, который задают производители георадаров. Хотя физика хорошо известна, большинство людей, плохо знакомых с георадарами, не понимают, что существуют фундаментальные физические ограничения.

Многие думают, что проникновение георадаров ограничено приборами. В некоторой степени это верно, но глубина разведки в первую очередь определяется самим материалом, и никакие усовершенствования инструментов не преодолеют фундаментальные физические ограничения.

Что контролирует проникновение?

Радиоволны не проникают далеко через почву, камни и большинство искусственных материалов, таких как бетон. Об этом свидетельствует потеря радиоприема или связи с мобильным телефоном при движении автомобиля через туннель или в подземный гараж.

Тот факт, что георадар вообще работает, зависит от используемых очень чувствительных измерительных систем и особых обстоятельств. Радиоволны экспоненциально уменьшаются и вскоре становятся необнаруживаемыми в материалах, поглощающих энергию, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Георадарные сигналы экспоненциально затухают в почве и скале.

Коэффициент экспоненциального затухания a в первую очередь определяется способностью материала проводить электрические токи. В простых однородных материалах это обычно доминирующий фактор; таким образом, измерение электропроводности (или удельного сопротивления) определяет затухание.

В большинстве материалов энергия также теряется на рассеяние из-за изменчивости материала и присутствия воды. Вода имеет два эффекта; во-первых, вода содержит ионы, которые вносят вклад в объемную проводимость. Во-вторых, молекула воды поглощает электромагнитную энергию на высоких частотах, обычно превышающих 1000 МГц (точно такой же механизм, который объясняет, почему работают микроволновые печи).

Затухание увеличивается с увеличением частоты, как показано на Рисунке 2. В средах, которые поддаются георадарному зондированию, обычно есть плато на кривой зависимости затухания от частоты, которая определяет «окно георадара».

Рисунок 2: Затухание зависит от частоты возбуждения и материала. Это семейство графиков отображает общие тенденции. На низких частотах (1000 МГц) вода является сильным поглотителем энергии.

Могу ли я уменьшить частоту, чтобы улучшить проникновение?

Понижение частоты улучшает глубину исследования, поскольку затухание в первую очередь увеличивается с увеличением частоты. Однако по мере уменьшения частоты в игру вступают два других фундаментальных аспекта георадарных измерений.

Во-первых, уменьшение частоты приводит к потере разрешения. Во-вторых, если частота слишком низкая, электромагнитные поля больше не распространяются как волны, а рассеиваются, что является областью измерений индуктивных ЭМ или вихревых токов.

Почему я не могу просто увеличить мощность передатчика?

Увеличить глубину разведки можно за счет увеличения мощности передатчика. К сожалению, мощность должна увеличиваться экспоненциально, чтобы увеличить глубину исследования.

Рисунок 3: Когда затухание ограничивает глубину разведки, мощность должна возрастать экспоненциально с глубиной.

На рисунке 3 показана относительная мощность, необходимая для зондирования на заданную глубину для ослаблений, изображенных на рисунке 1. Можно легко увидеть, что увеличение глубины разведки требует больших источников энергии.

Помимо практических ограничений, правительства регулируют уровень генерируемых радиоизлучений. Если сигналы передатчика георадара становятся слишком большими, они могут мешать работе других инструментов, телевизоров, радио и сотовых телефонов. (К сожалению, эти же самые распространенные устройства обычно являются ограничивающими источниками шума для георадаров!)

Могу ли я предсказать глубину исследования?

Да, при условии, что исследуемый материал известен электрически, доступно множество программ численных расчетов. Самый простой способ получить оценки глубины разведки - использовать анализ уравнения дальности действия радара (RRE). Имеется программное обеспечение для выполнения этих расчетов, и на эту тему есть множество статей. Основные концепции изображены на рисунке 4.

Рисунок 4: Дальность действия радара, показанная здесь в виде блок-схемы, определяет распределение энергии и предоставляет средства оценки глубины разведки.

Анализ RRE очень эффективен для параметрических исследований и анализа чувствительности.

Радиолокационный диапазон слишком сложен!

Многие пользователи говорят, что RRE слишком сложен для повседневного использования. Если вам не нравится вдаваться в подробные расчеты, мы предлагаем использовать следующее более простое практическое правило для оценки глубины разведки.

D = 35 / метров

где - проводимость в мСм / м. Хотя это правило не так надежно, как RRE, оно весьма полезно во многих геологических условиях.

Еще более простой подход - использовать таблицу или диаграмму глубины разведки обычных материалов. Примерная диаграмма для распространенных материалов, с которыми встречается георадар, показана на рисунке 5.

Рисунок 5: Диаграмма глубины разведки распространенных материалов. Эти данные основаны на наблюдениях «в лучшем случае». Как показано на рисунке 9, сам по себе материал не является истинным показателем глубины разведки.

На рисунках 6, 7 и 8 показаны примеры, которые варьируются от глубокой до мелководной разведки. Тип материала можно увидеть для контроля глубины исследования. К сожалению, разведку не всегда можно предсказать, зная только материалы в районе исследования.

Рисунок 6: Данные для массивного гранита - отражения представляют собой трещины. Рисунок 7: Данные, показывающие напластование во влажных песчаных отложениях. Рисунок 8: Данные показывают реакцию бочек во влажной илистой глине.

На Рисунке 9 показан разрез, где геология в основном однородна, но глубина разведки сильно варьируется. Электропроводность поровой воды меняется, а геологический материал неизменен! В этом случае знание проводимости дает лучшее измерение глубины разведки, чем знание материала.

Рисунок 9: Георадарный разрез из песчаной обстановки. Глубина разведки определяется проводимостью поровой воды, а не песчаного материала. Выщелачивание загрязнителей со свалки приводит к изменению проводимости (и глубины разведки) в зависимости от положения.

Приложения георадара и подходящие частоты

Системы и антенны по приложениям