Георадар ( GPR ) — это геофизический метод, который использует радиолокационные импульсы для получения изображения недр. Это неинтрузивный метод исследования недр для исследования подземных коммуникаций, таких как бетон, асфальт, металлы, трубы, кабели или каменная кладка. [1] Этот неразрушающий метод использует электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне ( частоты УВЧ / УКВ ) радиоспектра 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 материалов, а также пустот и трещин. [2] [3]
Георадар использует высокочастотные (обычно поляризованные) радиоволны, обычно в диапазоне от 10 МГц до 2,6 ГГц. Георадарный передатчик и антенна излучают электромагнитную энергию в землю. Когда энергия сталкивается с погребенным объектом или границей между материалами, имеющими разные диэлектрические проницаемости , она может отражаться, преломляться или рассеиваться обратно на поверхность. Приемная антенна может затем регистрировать изменения обратного сигнала. Используемые принципы аналогичны сейсмологии , за исключением того, что методы георадара реализуют электромагнитную энергию, а не акустическую энергию, и энергия может отражаться на границах, где изменяются электрические свойства недр, а не механические свойства, как в случае с сейсмической энергией.
Электропроводность грунта, передаваемая центральная частота и излучаемая мощность — все это может ограничивать эффективный диапазон глубины георадарного исследования . Увеличение электропроводности ослабляет введенную электромагнитную волну, и, таким образом, глубина проникновения уменьшается. Из-за частотно-зависимых механизмов затухания более высокие частоты не проникают так далеко, как более низкие. Однако более высокие частоты могут обеспечить лучшее разрешение . Таким образом, рабочая частота всегда является компромиссом между разрешением и проникновением. Оптимальная глубина проникновения в недра достигается во льду, где глубина проникновения может достигать нескольких тысяч метров (до коренных пород в Гренландии) на низких частотах георадаров. Сухие песчаные почвы или массивные сухие материалы, такие как гранит , известняк и бетон , 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.
Антенны георадарных радаров обычно соприкасаются с землей, что обеспечивает максимальную мощность сигнала; однако антенны георадара воздушного базирования можно использовать над землей.
Межскважинный георадар в области гидрогеофизики стал ценным средством оценки присутствия и количества почвенной воды .
Первый патент на систему, предназначенную для использования радара непрерывного действия для обнаружения зарытых объектов, был представлен Готхельфом Леймбахом и Генрихом Лёви 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 улучшению разрешения по глубине. Глубину ледника измерил с помощью георадара в 1929 году У. Штерн. [4]
Дальнейшие разработки в этой области оставались редкими до 1970-х годов, когда военные применения начали стимулировать исследования. Последовало коммерческое применение, и в 1975 году было продано первое доступное потребительское оборудование. [4]
В 1972 году миссия «Аполлон-17» вывела на орбиту Луны георадар под названием ALSE (Эксперимент с лунным зондом «Аполлон»). Он мог записывать информацию о глубине до 1,3 км и записывать результаты на пленку из-за отсутствия в то время подходящего компьютерного хранилища. [5] [6]
Георадар имеет множество применений в различных областях. В науках о Земле он используется для изучения коренных пород , почв, грунтовых вод и льда . Это имеет определенную пользу при поиске золотых самородков и алмазов в пластах аллювиального гравия, поскольку позволяет находить в руслах погребенных рек естественные ловушки, которые могут накапливать более тяжелые частицы. [7] Китайский луноход Yutu имеет на нижней стороне георадар для исследования почвы и коры Луны.
Инженерные применения включают неразрушающий контроль (НК) конструкций и покрытий, обнаружение подземных сооружений и инженерных сетей, а также изучение почв и коренных пород. При восстановлении окружающей среды георадар используется для определения свалок, шлейфов загрязнений и других мест восстановления, а в археологии он используется для картирования археологических объектов и кладбищ. Георадар используется правоохранительными органами для обнаружения тайных могил и зарытых вещественных доказательств. Военные применения включают обнаружение мин, неразорвавшихся боеприпасов и туннелей.
Скважинные радары, использующие георадар, используются для картирования структур скважины при подземных горных работах. Современные скважинные радиолокационные системы направленного действия способны создавать трехмерные изображения на основе измерений в одной скважине. [8]
Одним из других основных применений георадаров является обнаружение подземных коммуникаций. Стандартные инструменты для поиска инженерных сетей с электромагнитной индукцией требуют, чтобы инженерные сети были проводящими. Эти инструменты неэффективны для обнаружения пластиковых трубопроводов или бетонной ливневой и бытовой канализации. Поскольку георадар обнаруживает изменения диэлектрических свойств в недрах, он может быть очень эффективным для обнаружения непроводящих коммуникаций.
Георадар часто использовался в телевизионной программе Time Team на канале 4 , которая использовала эту технологию для определения подходящей области для исследования посредством раскопок. GPR также использовался для возврата выкупа в размере 150 000 фунтов стерлингов, который Майкл Сэмс закопал в поле после похищения агента по недвижимости в 1992 году. [9]
Военные применения георадара включают обнаружение неразорвавшихся боеприпасов и обнаружение туннелей. В военных целях и других распространенных георадарных применениях специалисты-практики часто используют георадар в сочетании с другими доступными геофизическими методами, такими как методы электрического сопротивления и электромагнитной индукции .
В мае 2020 года военные США заказали георадарную систему у компании Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES) для обнаружения самодельных взрывных устройств (СВУ), закопанных на дорогах, за сделку стоимостью 200,2 миллиона долларов. [10]
Недавно был продемонстрирован новый подход к локализации транспортных средств с использованием предшествующих картографических изображений, полученных с помощью георадара. Была продемонстрирована точность на уровне сантиметра на скорости до 100 км/ч (60 миль в час), получившая название «Локализирующий георадар» (LGPR). [11] Работа с обратной связью была впервые продемонстрирована в 2012 году для автономного рулевого управления транспортными средствами и введена в эксплуатацию в военных целях в 2013 году. [11] В 2016 году была продемонстрирована локализация скорости на уровне сантиметра во время ночной метели. [12] [ 13] Эта технология была лицензирована и коммерциализирована исключительно для обеспечения безопасности транспортных средств в ADAS и автономных системах позиционирования транспортных средств и удержания полосы движения компанией GPR Inc. и продавалась как радар наземного позиционирования (tm).
Георадиолокационная съемка — один из методов археологической геофизики . Георадар можно использовать для обнаружения и картирования подземных археологических артефактов , особенностей и структур. [14]
Концепция радара знакома большинству людей. В георадарах сигнал радара – электромагнитный импульс – направляется в землю. Подповерхностные объекты и стратиграфия (расслоение) вызывают отражения, которые улавливаются приемником. Время прохождения отраженного сигнала указывает глубину. Данные можно отображать в виде профилей, карт плана, изолирующих определенные глубины, или в виде трехмерных моделей.
Георадар может стать мощным инструментом при благоприятных условиях (идеально подходят однородные песчаные почвы). Как и другие геофизические методы, используемые в археологии (и в отличие от раскопок), он позволяет обнаруживать артефакты и отображать объекты без какого-либо риска их повреждения. Среди методов, используемых в археологической геофизике, он уникален как по способности обнаруживать некоторые мелкие объекты на относительно больших глубинах, так и по способности различать глубину источников аномалий.
Основным недостатком георадара является то, что его возможности сильно ограничены неидеальными условиями окружающей среды. Мелкозернистые отложения (глины и илы) часто создают проблемы, поскольку их высокая электропроводность приводит к потере мощности сигнала; каменистые или неоднородные отложения рассеивают георадарный сигнал, ослабляя полезный сигнал и одновременно увеличивая посторонние шумы.
В области культурного наследия георадар с высокочастотной антенной также используется для исследования исторических каменных построек, обнаружения трещин и разрушений колонн, а также отделения фресок. [15]
Георадар используется криминалистами, историками и археологами для поиска захоронений. [16] В своей публикации « Интерпретация георадара для археологии » Лоуренс Коньерс, который является «одним из первых специалистов-археологов в области георадиолокации», описал этот процесс. [17] Коньерс опубликовал исследования с использованием георадара в Сальвадоре в 1996 году, [18] в регионе Четырех углов периода Чако на юге Аризоны в 1997 году, [19] [20] и на средневековом месте в Ирландии в 2018 году. [21] Informed Согласно исследованию Коньера, [17] Институт прерий и археологии коренных народов при Университете Альберты в сотрудничестве с Национальным центром истины и примирения использовали георадар в своем обследовании школ-интернатов для индейцев в Канаде . [22] К июню 2021 года Институт использовал георадар для обнаружения предполагаемых безымянных могил в районах вблизи исторических кладбищ и индейских школ-интернатов. [22] 27 мая 2021 года сообщалось, что останки 215 детей были обнаружены с помощью георадара на месте захоронения в индейской школе-интернате Камлупс на земле коренных народов Ткемлупс-те-Секвепемк в Британской Колумбии. [23] В июне 2021 года георадарная технология была использована коренными народами Каусесс в Саскачеване для обнаружения 751 безымянного захоронения на территории индейской школы-интерната Мариеваль , которая действовала в течение столетия, пока не была закрыта в 1996 году. [24]
Достижения в области георадарных технологий, интегрированные с различными платформами программного 3D-моделирования, позволяют создавать трехмерные реконструкции «форм» недр и их пространственных отношений. К 2021 году это «станет новым стандартом». [25]
Радиогляциология – это исследование ледников , ледяных щитов , ледяных шапок и ледяных лун с использованием ледяного радара . Он использует геофизический метод, аналогичный георадару, и обычно работает на частотах СЧ , ВЧ , ОВЧ и УВЧ частей радиоспектра . [26] [27] [28] [29] Этот метод также часто называют «ледопроникающим радаром (IPR)» или «радиоэхозондом (RES)».
Ледники особенно хорошо подходят для исследования с помощью радара, поскольку проводимость , мнимая часть диэлектрической проницаемости и диэлектрическое поглощение льда малы на радиочастотах , что приводит к низким значениям тангенса потерь , глубины скин-слоя и затухания . Это позволяет обнаруживать эхосигналы от основания ледникового щита при толщине льда более 4 км. [30] [31] Подповерхностное наблюдение за ледяными массами с помощью радиоволн было неотъемлемым и развивающимся геофизическим методом в гляциологии на протяжении более полувека. [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] Наиболее широкое применение — измерение толщины льда, подледниковой топографии и стратиграфии ледникового покрова. [40] [33] [30] Он также использовался для наблюдения за подледником и состоянием ледяных щитов и ледников, включая гидрологию, термическое состояние, накопление, историю потока, структуру льда и геологию дна. [26] В планетологии ледопроникающий радар также использовался для исследования недр полярных ледяных шапок на Марсе и комет. [41] [42] [43] Планируются миссии по исследованию ледяных спутников Юпитера. [44] [45]Отдельные линии георадарных данных представляют собой разрез (профиль) недр. Несколько строк данных, систематически собираемых на определенной территории, можно использовать для построения трехмерных или томографических 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 существу представляют собой карты плана, изолирующие определенные глубины. Разделение времени стало стандартной практикой в археологических исследованиях , поскольку горизонтальные узоры часто являются наиболее важным индикатором культурной деятельности. [20]
Наиболее существенное ограничение производительности георадара приходится на материалы с высокой проводимостью, такие как глинистые почвы и почвы, загрязненные солью. Производительность также ограничивается рассеянием сигнала в неоднородных условиях (например, каменистых почвах).
К другим недостаткам существующих в настоящее время георадарных систем относятся:
Радар чувствителен к изменениям в составе материала, для обнаружения изменений необходимо движение. При просмотре стационарных предметов с помощью поверхностного или георадара оборудование необходимо перемещать, чтобы радар обследовал заданную территорию на предмет различий в составе материалов. Хотя он может идентифицировать такие предметы, как трубы, пустоты и почва, он не может идентифицировать конкретные материалы, такие как золото и драгоценные камни. Однако это может быть полезно для картирования подземных мест потенциальных карманов с драгоценными камнями или «каверн». Показания могут искажаться из-за влаги в земле, и они не могут отделить карманы с драгоценными камнями от карманов, не содержащих драгоценных камней. [46]
При определении возможностей глубины диапазон частот антенны определяет размер антенны и возможности глубины. Шаг сканируемой сетки зависит от размера целей, которые необходимо идентифицировать, и требуемых результатов. Типичный шаг сетки может 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 проникающего материала. Глубина до цели определяется на основе времени, которое требуется сигналу радара для отражения обратно к антенне устройства. Сигналы радара распространяются с разной скоростью через разные типы материалов. Можно использовать глубину известного объекта для определения конкретной скорости, а затем калибровать расчеты глубины.
В 2005 году Европейский институт телекоммуникационных стандартов принял закон, регулирующий использование георадарного оборудования и операторов георадаров для контроля избыточного излучения электромагнитного излучения. [47] Европейская ассоциация георадаров (EuroGPR) была создана как торговая ассоциация для представления и защиты законного использования георадаров в Европе.
Георадар использует различные технологии для генерации радиолокационного сигнала: импульсный, [48] ступенчатой частоты, частотно-модулированный непрерывный сигнал ( FMCW ) и шумовой. Системы, представленные на рынке в 2009 году, также используют цифровую обработку сигналов (DSP) для обработки данных во время геодезических работ, а не в автономном режиме.
Особый вид георадара использует немодулированные непрерывные сигналы. Этот голографический подповерхностный радар отличается от других типов георадаров тем, что он записывает подповерхностные голограммы обзора в плане. Глубина проникновения такого радара довольно мала (20–30 см), но бокового разрешения достаточно, чтобы распознавать разные типы мин в почве, полостях, дефектах, подслушивающих устройствах или других скрытых объектах в стенах, полах и других помещениях. структурные элементы. [49] [50]
Георадар используется на транспортных средствах для высокоскоростной съемки дорог с близкого расстояния и обнаружения мин, а также в режиме стоянки. [ необходимо определение ]
Радиолокационный радар, проникающий в трубы (IPPR) и георадар в канализации (ISGPR) — это применение георадарных технологий, применяемых в неметаллических трубах, где сигналы направляются через стенки труб и трубопроводов для обнаружения толщины стенок труб и пустот за стенками труб. [51] [52] [53]
Радар, проникающий сквозь стены, может считывать данные через неметаллические конструкции, как это было впервые продемонстрировано ASIO и австралийской полицией в 1984 году при обследовании бывшего посольства России в Канберре . Полиция показала, как наблюдать за людьми, находящимися на расстоянии до двух комнат по бокам и через этаж вертикально, видела металлические куски, которые могли быть оружием; Георадар может даже выступать в качестве датчика движения для военной охраны и полиции.
SewerVUE Technology, передовая компания по оценке состояния труб, использует радар проникновения в трубы (PPR) в качестве георадара внутри трубы, чтобы увидеть остаточную толщину стенок, покрытие арматуры, расслоения и обнаружить наличие пустот, развивающихся за пределами трубы.
EU Detect Force Technology, передовая компания по исследованию почвы, использует радар заземления X6 Plus (XGR) в качестве гибридного георадарного приложения для военного минного обнаружения, а также для обнаружения полицейских бомб.
Проект Mineseeker направлен на разработку системы определения наличия наземных мин в районах с использованием сверхширокополосных радаров с синтезированной апертурой, установленных на дирижаблях .
Обзор научных и инженерных применений можно найти в:
Общий обзор геофизических методов в археологии можно найти в следующих работах: