Георадар ( GPR ) — это геофизический метод, который использует радиолокационные импульсы для получения изображения подповерхности. Это неинтрузивный метод обследования подповерхности 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 UHF / VHF ) радиоспектра и обнаруживает отраженные сигналы от подповерхностных структур. GPR может применяться в различных средах, включая скальные породы, почву, лед, пресную воду, тротуары и конструкции. В правильных условиях специалисты могут использовать GPR для обнаружения подповерхностных объектов, изменений свойств материалов, а также пустот и трещин. [2] [3]
GPR использует высокочастотные (обычно поляризованные) радиоволны, обычно в диапазоне от 10 МГц до 2,6 ГГц. Передатчик и антенна GPR излучают электромагнитную энергию в землю. Когда энергия сталкивается с зарытым объектом или границей между материалами с разной диэлектрической проницаемостью , она может отражаться, преломляться или рассеиваться обратно на поверхность. Затем принимающая антенна может регистрировать изменения в обратном сигнале. Используемые принципы аналогичны сейсмологии , за исключением того, что методы GPR реализуют электромагнитную энергию, а не акустическую энергию, и энергия может отражаться на границах, где изменяются электрические свойства подповерхности, а не механические свойства подповерхности, как в случае с сейсмической энергией.
Электропроводность грунта, передаваемая центральная частота и излучаемая мощность могут ограничивать эффективный диапазон глубины исследования GPR. Увеличение электропроводности ослабляет введенную электромагнитную волну, и, таким образом, глубина проникновения уменьшается. Из-за механизмов затухания, зависящих от частоты, более высокие частоты не проникают так далеко, как более низкие частоты. Однако, более высокие частоты могут обеспечить улучшенное разрешение . Таким образом, рабочая частота всегда является компромиссом между разрешением и проникновением. Оптимальная глубина подповерхностного проникновения достигается во льду, где глубина проникновения может достигать нескольких тысяч метров (до коренной породы в Гренландии) на низких частотах GPR. Сухие песчаные почвы или массивные сухие материалы, такие как гранит , известняк и бетон, как правило, являются резистивными, а не проводящими, и глубина проникновения может составлять до 15 метров (49 футов). Однако во влажных или глинистых почвах и материалах с высокой электропроводностью проникновение может составлять всего несколько сантиметров.
Антенны георадара обычно соприкасаются с землей для получения наибольшей мощности сигнала; однако антенны георадара, запускаемые с воздуха, могут использоваться и над землей.
Метод межскважинного георадара был разработан в области гидрогеофизики как ценный способ оценки наличия и количества почвенной воды .
Первый патент на систему, разработанную для использования радара непрерывной волны для обнаружения захороненных объектов, был подан Готтхельфом Леймбахом и Генрихом Лёви в 1910 году, через шесть лет после первого патента на сам радар (патент DE 237 944). Патент на систему, использующую импульсы радара, а не непрерывную волну, был подан в 1926 году доктором Хюльзенбеком (DE 489 434), что привело к улучшению разрешения по глубине. Глубина ледника была измерена с помощью георадара в 1929 году В. Штерном. [4]
Дальнейшие разработки в этой области оставались редкими до 1970-х годов, когда военные приложения начали стимулировать исследования. Затем последовали коммерческие приложения, и первое доступное потребительское оборудование было продано в 1975 году. [4]
В 1972 году миссия Apollo 17 вывела на орбиту вокруг Луны георадар ALSE (Apollo Lunar Sounder Experiment). Он мог регистрировать 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 ряде областей. В науках о Земле он используется для изучения коренных пород , почв, грунтовых вод и льда . Он полезен при разведке золотых самородков и алмазов в аллювиальных гравийных пластах, находя естественные ловушки в захороненных руслах рек, которые имеют потенциал для накопления более тяжелых частиц. [7] Китайский луноход Yutu имеет георадар на нижней стороне для исследования почвы и коры Луны.
Инженерные приложения включают неразрушающий контроль (NDT) конструкций и тротуаров, обнаружение заглубленных конструкций и коммуникаций, а также изучение почв и коренных пород. В экологической реабилитации георадар используется для определения свалок, загрязняющих шлейфов и других мест рекультивации, в то время как в археологии он используется для картирования археологических объектов и кладбищ. Георадар используется в правоохранительных органах для обнаружения тайных захоронений и захороненных улик. Военные применения включают обнаружение мин, неразорвавшихся боеприпасов и туннелей.
Радары скважин, использующие георадар, используются для картирования структур из скважины в подземных горнодобывающих приложениях. Современные системы направленных радаров скважин способны создавать трехмерные изображения из измерений в одной скважине. [8]
Одной из основных областей применения георадаров является обнаружение подземных коммуникаций. Стандартные электромагнитные индукционные инструменты для обнаружения коммуникаций требуют, чтобы коммуникации были проводящими. Эти инструменты неэффективны для обнаружения пластиковых трубопроводов или бетонных ливневых и бытовых канализаций. Поскольку георадар обнаруживает изменения диэлектрических свойств в недрах, он может быть весьма эффективным для обнаружения непроводящих коммуникаций.
Георадар часто использовался в телевизионной программе Time Team на канале Channel 4 , где эта технология использовалась для определения подходящей области для обследования с помощью раскопок. Георадар также использовался для извлечения 150 000 фунтов стерлингов в качестве выкупа, который Майкл Сэмс закопал в поле после похищения им агента по недвижимости в 1992 году. [9]
Военные применения георадара включают обнаружение неразорвавшихся боеприпасов и обнаружение туннелей. В военных приложениях и других распространенных применениях георадара специалисты 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 у Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES) георадарную систему для обнаружения самодельных взрывных устройств (СВУ), зарытых в дороги, на сумму 200,2 млн долларов. [10]
Был продемонстрирован недавний новый подход к локализации транспортных средств с использованием изображений на основе карт с георадаров. Названный «локализирующим георадаром» (LGPR), он демонстрирует точность на уровне сантиметра на скоростях до 100 км/ч (60 миль/ч). [11] Работа в замкнутом контуре была впервые продемонстрирована в 2012 году для автономного управления транспортным средством и введена в эксплуатацию в военных целях в 2013 году. [11] Локализация скорости на шоссе на уровне сантиметра во время ночной снежной бури была продемонстрирована в 2016 году. [12] [13] Эта технология была лицензирована и коммерциализирована исключительно для обеспечения безопасности транспортных средств в системах ADAS и автономного позиционирования транспортных средств и удержания полосы движения компанией GPR Inc. и продается как Ground Positioning Radar(tm).
Георадарное обследование является одним из методов, используемых в археологической геофизике . Георадар может использоваться для обнаружения и картирования подземных археологических артефактов , особенностей и узоров. [14]
Концепция радара знакома большинству людей. В георадарах сигнал радара – электромагнитный импульс – направляется в землю. Подземные объекты и стратиграфия (слоистость) вызывают отражения, которые улавливаются приемником. Время прохождения отраженного сигнала указывает на глубину. Данные могут быть представлены в виде профилей, в виде карт в плане, изолирующих определенные глубины, или в виде трехмерных моделей.
Георадар может быть мощным инструментом в благоприятных условиях (однородные песчаные почвы являются идеальными). Как и другие геофизические методы, используемые в археологии (и в отличие от раскопок), он может обнаруживать артефакты и картировать объекты без какого-либо риска их повреждения. Среди методов, используемых в археологической геофизике, он уникален как своей способностью обнаруживать некоторые мелкие объекты на относительно больших глубинах, так и своей способностью различать глубину источников аномалий.
Главным недостатком GPR является то, что он сильно ограничен неидеальными условиями окружающей среды. Мелкозернистые отложения (глины и илы) часто являются проблематичными, поскольку их высокая электропроводность приводит к потере мощности сигнала; каменистые или неоднородные отложения рассеивают сигнал GPR, ослабляя полезный сигнал и увеличивая посторонний шум.
В области культурного наследия георадар с высокочастотной антенной также используется для исследования исторических каменных конструкций, обнаружения трещин и признаков разрушения колонн, а также отслоения фресок. [15]
Георадар используется криминалистами, историками и археологами для поиска мест захоронений. [16] В своей публикации «Интерпретация георадара для археологии » Лоуренс Коньерс, один из первых археологических специалистов по георадару, описал этот процесс. [17] Коньерс опубликовал исследование с использованием георадара в Сальвадоре в 1996 году, [18] в регионе Четыре угла периода Чако на юге Аризоны в 1997 году, [19] [20] и на средневековом участке в Ирландии в 2018 году. [21] Информированные исследованиями Коньера, [17] Институт прерий и аборигенской археологии при Университете Альберты в сотрудничестве с Национальным центром истины и примирения использовали георадар при обследовании индейских школ-интернатов в Канаде . [22] К июню 2021 года Институт использовал георадар для обнаружения предполагаемых немаркированных могил в районах вблизи исторических кладбищ и школ-интернатов для индейцев. [22] 27 мая 2021 года было сообщено, что останки 215 детей были обнаружены с помощью георадара на месте захоронения в школе-интернате для индейцев Камлупс на земле Первой нации Тк'емлупс те Секвепемк в Британской Колумбии. [23] В июне 2021 года технология георадара была использована Первой нацией Каусесс в Саскачеване для обнаружения 751 немаркированного захоронения на территории школы-интерната для индейцев Мариевал , которая функционировала в течение столетия, пока не была закрыта в 1996 году. [24]
Достижения в области технологии георадара, интегрированные с различными платформами трехмерного программного моделирования, создают трехмерные реконструкции подземных «форм и их пространственных отношений». К 2021 году это «станет новым стандартом». [25]
Радиогляциология — это изучение ледников , ледяных щитов , ледяных шапок и ледяных лун с использованием проникающего сквозь лед радара . Он использует геофизический метод, аналогичный георадару, и обычно работает на частотах в диапазонах MF , HF , VHF и UHF радиоспектра . [26] [27] [28] [29] Этот метод также обычно называют « проникающим сквозь лед радаром (IPR)» или «радиозондированием (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 угла потерь , глубины скин-слоя и затухания . Это позволяет обнаруживать эхо-сигналы от основания ледяного щита через толщину льда более 4 км. [30] [31] Подповерхностное наблюдение ледяных масс с использованием радиоволн является неотъемлемой и развивающейся геофизической техникой в гляциологии на протяжении более полувека. [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] Его наиболее широкое применение было связано с измерением толщины льда, подледниковой топографии и стратиграфии ледяного щита. [40] [33] [30] Он также использовался для наблюдения за подледниковыми условиями и состояниями ледяных щитов и ледников, включая гидрологию, тепловое состояние, накопление, историю течения, ледяную структуру и геологию ложа. [26] В планетарной науке радар, проникающий сквозь лед, также использовался для исследования недр полярных ледяных шапок на Марсе и комет. [41] [42] [43] Планируются миссии по исследованию ледяных лун Юпитера. [44] [45]Отдельные линии данных GPR представляют собой секционный (профильный) вид недр. Несколько линий данных, систематически собранных по площади, могут быть использованы для построения трехмерных или томографических изображений. Данные могут быть представлены в виде трехмерных блоков или горизонтальных или вертикальных срезов. Горизонтальные срезы (известные как «глубинные срезы» или «временные срезы») по сути являются картами планового обзора, изолирующими определенные глубины. Временные срезы стали стандартной практикой в археологических приложениях , поскольку горизонтальная структура часто является наиболее важным индикатором культурной деятельности. [20]
Наиболее существенным ограничением производительности GPR является работа в материалах с высокой проводимостью, таких как глинистые почвы и почвы, загрязненные солью. Производительность также ограничивается рассеиванием сигнала в неоднородных условиях (например, каменистые почвы).
К другим недостаткам существующих в настоящее время систем георадара относятся:
Радар чувствителен к изменениям в составе материала; для обнаружения изменений требуется движение. При просмотре неподвижных объектов с использованием поверхностно-проникающего или грунтопроникающего радара оборудование необходимо перемещать, чтобы радар мог исследовать указанную область, ища различия в составе материала. Хотя он может идентифицировать такие объекты, как трубы, пустоты и почву, он не может идентифицировать конкретные материалы, такие как золото и драгоценные камни. Однако он может быть полезен для обеспечения подповерхностного картирования потенциальных карманов с драгоценными камнями или «каверн». Показания могут быть спутаны влагой в земле, и они не могут отделить карманы с драгоценными камнями от карманов без драгоценных камней. [46]
При определении глубинных возможностей диапазон частот антенны определяет размер антенны и глубинные возможности. Шаг сетки, который сканируется, основан на размере целей, которые необходимо идентифицировать, и требуемых результатах. Типичные интервалы сетки могут быть 1 метр, 3 фута, 5 футов, 10 футов, 20 футов для наземных обследований, а для стен и полов 1 дюйм–1 фут.
Скорость распространения радиолокационного сигнала зависит от состава проникающего материала. Глубина до цели определяется на основе времени, необходимого радиолокационному сигналу для отражения обратно к антенне устройства. Радиолокационные сигналы распространяются с разной скоростью через различные типы материалов. Можно использовать глубину до известного объекта для определения конкретной скорости, а затем откалибровать расчеты глубины.
В 2005 году Европейский институт стандартов в области телекоммуникаций ввел законодательство, регулирующее оборудование георадара и операторов георадара, для контроля избыточных выбросов электромагнитного излучения. [47] Европейская ассоциация георадара (EuroGPR) была создана как торговая ассоциация для представления и защиты законного использования георадара в Европе.
Георадар использует различные технологии для генерации радиолокационного сигнала: это импульс, [48] ступенчатая частота, частотно-модулированная непрерывная волна ( FMCW ) и шум. Системы, представленные на рынке в 2009 году, также используют цифровую обработку сигналов (DSP) для обработки данных во время обследования, а не в автономном режиме.
Особый вид GPR использует немодулированные сигналы непрерывной волны. Этот голографический подповерхностный радар отличается от других типов GPR тем, что он записывает подповерхностные голограммы в плане. Глубина проникновения этого типа радара довольно мала (20–30 см), но боковое разрешение достаточно для различения различных типов мин в почве или полостей, дефектов, подслушивающих устройств или других скрытых объектов в стенах, полах и элементах конструкций. [49] [50]
GPR используется на транспортных средствах для высокоскоростной дорожной разведки и обнаружения мин. EU Detect Force Technology, передовая компания по исследованию почв, использует X6 Plus Grounding Radar (XGR) в качестве гибридного приложения GPR для военного обнаружения мин, а также для обнаружения бомб полицией. Проект «Mineseeker» направлен на разработку системы для определения наличия мин в районах с использованием сверхширокополосных радиолокационных устройств с синтезированной апертурой, установленных на дирижаблях .
Радар для обнаружения проникающих труб (IPPR) и георадар для обнаружения канализационных сетей (ISGPR) — это приложения технологий георадара, применяемые в неметаллических трубах, где сигналы направляются через стенки труб и каналов для обнаружения толщины стенок труб и пустот за стенками труб. [51] [52] [53]
Компания SewerVUE Technology, занимающаяся передовой оценкой состояния труб, использует георадар для исследования труб (PPR) в качестве внутритрубного георадара для определения остаточной толщины стенки, защитного слоя арматуры, расслоения и обнаружения пустот, развивающихся снаружи трубы.
Радар, проникающий сквозь стены, может читать через неметаллические конструкции, что было впервые продемонстрировано ASIO и австралийской полицией в 1984 году во время обследования бывшего российского посольства в Канберре . Полиция показала, как наблюдать за людьми на расстоянии до двух комнат по горизонтали и через полы по вертикали, можно было увидеть металлические куски, которые могли быть оружием; георадар может даже выступать в качестве датчика движения для военной охраны и полиции.
Обзор научных и инженерных приложений можно найти в:
Общий обзор геофизических методов в археологии можно найти в следующих работах: