Принципы работы георадаров серии ГРОТ 12

Георадары, собранные по традиционной схеме и использующие квазимонохроматические сигналы, могут обеспечить глубину зондирования всего в несколько метров и только на слабо поглощающих радиоволны грунтах (по своим параметрам близких к сухому песку), что делает эти приборы малоперспективными для средней полосы России и других мест, где преобладают глинистые почвы.

Одним из основных преимуществ георадров серии ГРОТ 12 является их успешное применение в низкоомных средах (влажных глинах, засоленных почвах и т.п.), то есть в условиях, которые считаются традиционно сложными для метода георадиолокации. 

Основная задача, которую мы ставили перед собой при проектировании георадаров нового поколения, это достижение максимально возможного реального потенциала прибора.

Эта цель достигается двумя основными способами: использованием мощного передатчика и регистрацией сигнала в его собственном спектре частот, без стробоскопического преобразования сигнала в область низких частот. Другими словами, мы исключили большинство операций над сигналом, которые могут приводить к возникновению нежелательного побочного "звона".

Для того чтобы обеспечить необходимые параметры обнаружения объекта, нам пришлось разработать малогабаритные искровые и твердотельные передатчики с импульсной мощностью порядка единицы-десятки мегаватт. Они функционально представляют собой современную версию искровых передатчиков времен А. С. Попова и Г. Маркони, применявшихся в первых опытах по радиосвязи.

Примененный нами способ регистрации основан на использовании быстродействующих компараторов, которые сравнивают приходящий сигнал с некоторым заданным порогом. Изменяя величину порога и коэффициент усиления приемника, можно регистрировать сигнал в большом диапазоне его значений. Если при стробоскопическом способе за один излученный импульс передатчика регистрируется значение амплитуды сигнала в один момент времени, то в использованном нами способе за один импульс фиксируются моменты превышения сигналом порога по всей временной координате описывающей процесс распространения импульса в среде.

Наиболее подходящей антенной, как приемной, так и передающей, оказался резистивно-нагруженный диполь, в котором часть энергии импульса поглощается на распределенных вдоль его плечей резисторах. Подбирая величину сопротивления резисторов, можно обеспечить практически полное демпфирование побочных колебаний импульса в антеннах.

Оптимальной конструкцией антенны, используемой в условиях активных и пассивных внешних помех, представляется резистивно-нагруженный диполь, накрытый диэлектрическим ящиком, заполненным углеродным радиопоглотителем, который ослабляет воздушную волну при зондировании с земной поверхности и переотражения при работе в замкнутых помещениях и шахтах.

Важной характеристикой георадаров является реальный потенциал прибора. Увеличению глубины зондирования, для георадаров, построенных по традиционной схеме, препятствует невысокий реальный динамический диапазон, составляющий (в зависимости от фирмы-производителя) 40-60-80 дБ и практически не увеличивающийся в последние годы. Под реальным потенциалом мы понимаем то ослабление сигнала в среде, при котором радар еще способен обнаруживать подземные объекты. Это критически важный для оценки предельной глубины зондирования параметр. К сожалению, довольно часто в описаниях георадаров приводят значение его потенциала, вычисленное как отношение мощности передатчика к чувствительности приемника, что не дает объективного представления о практических возможностях прибора. Для большинства выпускаемых к настоящему времени радаров за основу технического решения принят метод стробоскопического преобразования спектра сигнала в область низких частот, в которой и происходит его регистрация. Основная проблема, связанная с таким шаблонным решением, это сложность обеспечения постоянства амплитудно-частотной и линейности фазочастотной характеристик стробоскопического преобразования в приемном тракте, что приводит к значительным вынужденным побочным колебаниям ("звону") сигнала и маскировке слабых сигналов более сильными. Это основная причина сравнительно малого реального потенциала радаров такого типа.

Измерение сравнительного реального потенциала георадаров разных производителей, можно осуществить следующим образом. Исследуемый георадар ставится на поплавки и перемещается от берега к центру глубокого водоема. В процессе движения фиксируется глубина, на которой отражение от дна исчезало из-за поглощения радиоволн водой. По записям амплитудной функции определяется погонное затухание как отношение изменения амплитуды к разности глубин. Реальный потенциал определяется как произведение погонного затухания на глубину, на которой сигнал пропал. Для наших георадаров Грот, измеренный таким образом реальный потенциал составляет величину не менее 120-160 дБ.

Методы обработки данных

На получаемых нашими приборами радарограммах практически отсутствуют побочные мешающие колебания ("звон" аппаратуры), характерные для многих других георадаров. По этой причине мы не пользуемся стандартными программами обработки георадарных сигналов, основная задача которых уменьшить величину "звона" и выделить на его фоне сигнал с помощью разного рода фильтраций.

Принятый нами в настоящее время способ восстановления геологического профиля по радарограмме основывается на использовании методики, которая известна в сейсмологии под названием "общий пункт возбуждения" (ОПВ).

Сначала снимается радиолокационный профиль прибором, в котором расстояние между приемной и передающей антенной фиксировано. По радарограмме определяются точки, в которых необходимо произвести зондирование, т. е. в соответствии с методом ОПВ получить годографы от слоев и объектов.

Годограф - это функция задержки сигнала от слоя (объекта), в зависимости от расстояния между приемной и передающей антеннами при симметричном разносе их в разные стороны. Годограф позволяет определить как истинную глубину слоя, так и скорость распространения волны в нем. Для того чтобы преобразовать радарограмму в геологическое сечение, необходимо исключить кратные отражения от слоев и трансформировать временную ось в пространственную, задавая скорость волны в слое. Вся необходимая для этого информация может быть получена из годографа.

Использование квазисейсмического подхода для получения геологического сечения не может считаться удовлетворительным, поскольку не используется часть информации, заключенная в амплитуде сигнала, его временной форме и поляризации. Поэтому измерение волновой формы сигнала во многих случаях является единственной возможностью правильно определить местонахождение исследуемого объекта. Созданы алгоритмы и программы, позволяющие проводить обработку волновых форм сигнала. Метод основан на использовании широко известного алгоритма вейвлет-преобразования.

Описанные принципы построения георадара и процедуры обработки сигнала позволяют решать георадарам ГРОТ все основные задачи георадиолокации.