Основы георадиолокации

Георадиолокация (англ. ground-penetrating radar, GPR) – это геофизический метод обследования подземной среды, основанный на излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от различных объектов зондируемой среды. Сигнал испускается передающей антенной георадара, отклик принимается приемной антенной георадара

GPR
Общий вид георадара серии «ЛОЗА»: а – передатчик; б – приёмник; в – блок управления и индикации

Георадиолокационное обследование может проводиться в двух модификациях: георадарном профилировании на постоянной базе и георадарном зондировании на переменной базе


Георадарное профилирование на постоянной базе

Стандартным методом обследование является георадарное профилирование (англ. common offset profiling). Намечается профиль, по которому затем проходит оператор с георадаром, у которого антенна приемника и передатчика находятся на постоянном расстоянии друг от друга

GPR profiling primer 

  Схема георадарного профилирования: синие квадраты – передающая антенна, красные квадраты – приемная антенна

В заданной точке передающая антенна георадара излучает в толщу среды электромагнитный сигнал. Этот сигнал распространяется в грунтовой среде и в воздухе, где испытывает различные волновые процессы. Сигнал, дошедший обратно до поверхности земли к приёмной антенне, принимается и сохраняется в памяти георадара. Это трасса – функция амплитуды пришедшего сигнала от времени его прихода к приемной антенне

An example of an ideal GPR trace when surveying a two-layer environment

Пример идеальной трассы при обследовании двухслойной среды. Первый всплеск амплитуд (t = 5 нс) связан с приходом прямой воздушной волны. Второй всплеск амплитуд (t = 25 нс) связан с приходом волны, отраженной от границы раздела слоев

An example of a real GPR track
Пример реальной трассы

С заданным шагом (обычно от 0.1 до 2 м) георадар перемещается вдоль профиля. На каждой стоянке записывается трасса. Полученный набор трасс называется радарограммой. Для удобства работы радарограмма представляется в виде изображения, горизонтальная ось которого соответствует расстоянию от начала профиля, вертикальная ось – время прихода сигнала, а цвет – амплитуду сигнала.
Каждому вертикальному сечению радарограммы соответствует трасса – зависимость амплитуды сигнала от времени

An example of a radarogram. The vertical line corresponds to the track (on the right)

Пример радарограммы. Вертикальной линии соответствует трасса (справа)


Поиск локальных неоднородностей на радарограмме

В случае, когда в зондируемой среде находится небольшой локальный объект (труба, кабель), возникает явление дифракции. Это означает, что если в зоне профиля находятся локальные объекты, то на полученной радарограмме каждому такому объекту будет соответствовать гиперболический контур

Scheme occurrence of diffraction phenomenon

Схема возникновения явления дифракции: а – процесс георадарного профилирования над локальным объектом; б – схема полученной радарограммы; в – пример реальной радарограммы с дифракционной гиперболой

По выделенной гиперболе можно определить местоположение локального объекта (горизонтальное расстояние и глубину), а также среднюю скорость распространения радиоволн выше объекта


Преобразование временного георадарного разреза в глубинный разрез

Исходная радарограмма представляет собой временной разрез (вертикальная ось – ось времени прихода сигнала, в наносекундах). Для решения инженерных задач требуется отыскать положение границ раздела различных сред и затем определить, на какой глубине расположены границы, т.е. преобразовать временной разрез в глубинный

Time section
Временной разрез: по вертикальной оси – время, нс


depth section

Глубинный разрез: по вертикальной оси – глубина, м

Для преобразования временного разреза в глубинный нужно определить скорость распространения сигнала в среде. В программу заложено три основных способа определения скорости: по дифракционным гиперболам, по гиперболическим годографам отраженных волн и с помощью амплитудного анализа

Velocity of propagation of electromagnetic waves in different soil environmentsСкорости распространения электромагнитных волн в различных грунтовых средах, м/нс


Топографическая коррекция

В случае, если поверхность, по которой производится георадарное профилирование, негоризонтальна (например, поперечное сечение дорожной насыпи), требуется привязка радарограммы к этой поверхности (топографическая коррекция)

Topographic correction resultРезультат топографической коррекции


Георадарное зондирование на переменной базе

При георадарном зондировании расстояние между антеннами георадара постепенно увеличивается. При этом оставаться неизменным может либо положение оси георадара при одновременном разносе обеих антенн в разные стороны (по-английски это называется CMP – common midpoint survey), либо положение одной из антенн (WARR – wide-angle reflection and refraction method). Сечение, при котором расстояние между приемником и передатчиком равно нулю, называется осью годографа

Scheme GPR sensingСхема георадарного зондирования: а – ОГТ (CMP); б – WARR; синие квадраты – положение передатчика, красные квадраты – положение приемника

Данное испытание проводится для того, чтобы построить грунтовую модель в заданной точке, т.е. определить глубину и скорость распространения радиоволн для каждого слоя. На радарограмме можно выделить набор годографов различных электромагнитных волн: прямой воздушной, прямой грунтовой, отраженных, преломленных
Для построения грунтовой модели, как правило, используются только годографы отраженных волн, которые имеют гиперболическую форму. В программу заложена уникальная методика анализа годографов отраженных волн, с помощью которой рассчитывается грунтовая модель

engineering and geological sectionа – инженерно-геологический разрез; б – грунтовая модель, построенная в программе; в – радарограмма, полученная после георадарного зондирования в контрольном сечении; выделены гиперболические годографы волн, отраженных от границ между слоями

Определение скоростей распространения радиоволн с помощью амплитудного анализа

Метод заключается в том, что перед непосредственным георадарным обследованием на участке проводится георадарное испытание на металлической пластине, от которой электромагнитная волна отразится полностью

Amplitude analysis. Testing on a metal plateПроведение испытания на металлической пластине

На полученной радарограммы выделяют отражение от поверхности, определяется его амплитуда Am для разных временных отсчетов:

Radarogram obtained after testing on a metal plateРадарограмма, полученная после испытания на металлической пластине

Зная амплитуду Am, относительную диэлектрическую проницаемость в первом слое ε1 можно определить по формуле:

formulaгде A1 – амплитуда волны, отраженной от поверхности земли


Амплитудные карты

В случае использования трехмерных георадаров, либо при георадарном обследовании сеткой из продольных и поперечных профилей встает задача трехмерного анализа результатов георадарного обследования

An exemplary embodiment of areal recording GPR as a grid of longitudinal and transverse profiles GPRПример выполнения площадной георадарной съемки в виде сетки продольных и поперечных георадарных профилей

При обработке таких радарограмм часто имеет смысл посмотреть данные всех радарограмм в некотором сечении (на определенной глубине). Для этого строится амплитудная карта:

Example of amplitude maps
Пример амплитудной карты