Radar pronikající do země

Georadar  - radar , pro který může být studovaným prostředím země, půda (odtud nejčastější název), sladká voda, hory. Georadar je vysokofrekvenční (od 10 MHz do 1000 MHz) metoda elektromagnetických vln s vysokým rozlišením pro získávání snímků zemin a pozemních struktur. Anténa se používá k vysílání a obnově radarových impulsů generovaných generátorem impulsů. Vrácený puls je poté zpracován za účelem získání snímků půdního profilu. Hlavními geotechnickými aplikacemi jsou zobrazování půdního profilu a lokalizace zasypaných objektů. GPR poskytuje obraz půdního profilu s kontinuálním rozlišením s velmi malým narušením půdy. GPR není vhodný pro mokré jíly a vysoce vodivé kaly (0,15 miliohm/m). Rozlišení GPR klesá s hloubkou [1] .

Návrh georadaru

Moderní georadar je komplexní elektronické zařízení, jehož součásti plní následující funkce:

• vytváření impulsů vysílaných vysílací anténou;
• zpracování signálů přicházejících z přijímací antény;
• synchronizace celého systému.

Georadar se tedy skládá ze tří hlavních částí: anténní části, registrační jednotky a řídicí jednotky.

Anténní část obsahuje vysílací a přijímací anténu. Registrační jednotkou se rozumí notebook nebo jiné záznamové zařízení a roli řídící jednotky plní soustava kabelů a opticko-elektrických převodníků.

Historie vývoje GPR

Vývoj georadaru byl prováděn v různých zemích Evropy, Ameriky, Ruska, SSSR. Na základě experimentů v přírodních podmínkách byly studovány metody konstrukce specializovaných radarů pro sondování relativně tenkých vysoce absorbujících médií. Použití anténního šokového buzení umožnilo odhadnout elektrické charakteristiky mořského ledu na různých frekvencích. První radarové měření tloušťky mořského ledu bylo provedeno v roce 1971 metodou syntetizovaného videopulsního signálu navrženou M. I. Finkelsteinem v roce 1969 . Tato metoda byla použita v prvním průmyslovém radarovém měřiči tloušťky mořského ledu „Aquamarine“.

V roce 1973 byla z letadla prokázána možnost detekce a měření hloubky akviferů v pouštních oblastech Střední Asie. Použili jsme radar vyvinutý v RIIGA s nárazovým buzením antény pulzy s délkou trvání 50 ns a střední frekvencí spektra cca 65 MHz. Hloubka sondy se ukázala být více než 20 m při výšce letu letadla 200 ... 400 m. Podobné práce byly provedeny pro vápenec v roce 1974 , pro zmrzlé horniny - v roce 1975 .

Je třeba poukázat na použití metody aperturní syntézy v radarovém systému instalovaném na palubě kosmické lodi Apollo 17 ke studiu měsíčního povrchu . Systém byl testován v roce 1972 z letadla nad ledovci Grónska na frekvenci 50 MHz s dobou trvání pulzu s frekvencí lineární modulace 80 µs (kompresní poměr 128).

Sériové vzorky georadaru se začaly objevovat na počátku 70. let. V polovině 80. let vzrostl zájem o GPR díky dalšímu skoku ve vývoji elektroniky a výpočetní techniky. Jak však zkušenost ukázala, tento vývoj byl nedostatečný. Mzdové náklady na zpracování materiálů se nemohly v plné výši vyplatit a zájem o GPR opět klesl. V 90. letech, kdy proběhla další vědecká a technologická revoluce a osobní počítače se staly dostupnějšími, zájem o GPR opět vzrostl a dosud neoslabil.

Od konce 90. let se pravidelně konají výzkumné konference věnované této metodě. Vycházejí speciální čísla časopisů.

Jak to funguje

Podpovrchové sondážní radary jsou navrženy ke studiu dielektrických médií změnou dielektrické konstanty a/nebo elektrické vodivosti. Nejčastěji se pozemní radary používají pro inženýrsko-geotechnický průzkum zemin a nedestruktivní zkoušení (nekovových) stavebních konstrukcí.

Princip činnosti většiny moderních georadarů [2] je stejný jako u běžných pulzních radarů . Do zkoumaného média je vyzařována elektromagnetická vlna, která se odráží od řezů média a různých inkluzí. Odražený signál je přijímán a zaznamenáván pomocí GPR.

V současné době lze většinu sériově vyráběných radarů seskupit do několika podtypů, které se liší v základních principech činnosti:

• stroboskopické radary pronikající do země: tyto radary vysílají převážně pulsy s nízkou energií, asi 0,1-1 μJ, ale poměrně hodně takových pulsů je emitováno 40-200 tisíc pulsů za sekundu. Pomocí stroboskopického efektu můžete získat velmi přesné rozmítání - radargram v čase. Ve skutečnosti může průměrování dat z velkého počtu impulsů výrazně zlepšit poměr signálu k šumu. Výkon 0,1–1 μJ zároveň představuje vážná omezení hloubky průniku takových pulzů. Typicky se takové radary používají pro měření hloubky až 10 metrů. V některých případech však „penetrační“ schopnost dosahuje více než 20 metrů.

• radary se slabým pulsem: takové radary vydávají výrazně méně než 500-1000 pulsů za sekundu, výkon každého takového pulsu je již výrazně vyšší a dosahuje 100 μJ. Digitalizací jednoho bodu v každém takovém pulzu s jiným posunem od začátku je možné získat radargram v časové oblasti bez hradlování. Takové zařízení zároveň umožňuje odebírat zhruba jeden radargram za vteřinu a prakticky neumožňuje použití průměrování pro zlepšení odstupu signálu od šumu. To umožňuje přijímat radargramy z hloubek desítek metrů, ale interpretovat takové radarogramy může pouze speciálně vyškolený specialista.

• vysoce výkonné radary s anténní diverzitou: takové radary vysílají pouze několik pulzů za sekundu, ale energie pulzu dosahuje 1-12 J. To umožňuje výrazně zlepšit poměr signálu k šumu a dynamický rozsah georadaru a příjmu odrazy z mnoha hlubokých vrstev nebo práce na těžkých a vlhkých půdách . Ke zpracování radargramů je nutný speciální software, který výrobci takových GPR dodávají s GPR. Mezi nevýhody výkonných radarů patří nebezpečí radiového ozáření biologických objektů a výrazná (až 2-3 metry od povrchu) „mrtvá“ zóna. Existuje alternativní názor na problematiku radiového ozáření biologických objektů těžkými pozemními radary. Konvenční georadar potřebuje jeden záznam na mnoho startů (to je způsobeno problémy s digitalizací signálu). Heavy-duty - provádí pouze několik startů za sekundu (to vedlo k tomu, že pro tyto GPR bylo nutné vyvinout systém digitalizace signálu, který nesouvisí se stroboskopickou konverzí). Pokud spočítáme energii, kterou georadar vyšle za sekundu, vyjde nám, že běžný georadar střílí velmi často, ale v malých pulzech. A ten těžký vydává impuls s velkou amplitudou, ale jen zřídka. Rozdíl v parametrech je takový, že v druhém případě dopadá na biologický objekt méně vyzářené energie.

Pro všechny výše uvedené typy radarů je možné použít jeden nebo více kanálů. V tomto případě je podmíněně možné rozdělit všechny tyto GPR do několika dalších tříd:

• jednokanálové GPR: takové GPR mají jeden vysílač a jeden přijímač, většina výrobců GPR má jednokanálové GPR.

• vícekanálové párové GPR: v takových GPR je několik párů přijímač-vysílač, takže průzkum geoprofilu z každého kanálu probíhá současně. Takové systémy jsou běžné u mnoha zahraničních výrobců, kteří se specializují na geoprofilování povrchů vozovek. Takový systém ve skutečnosti obsahuje několik jednokanálových GPR a může výrazně zkrátit dobu profilování. Nevýhodou těchto systémů je jejich objemnost (jsou mnohem větší než jednokanálové) a vysoká cena.

• vícekanálový georadar se syntetickou přijímací aperturou: jedná se o nejsložitější typ georadaru, ve kterém na jednu vysílací anténu připadá několik přijímacích antén, které jsou vzájemně synchronizovány. Ve skutečnosti jsou takové GPR analogem sfázovaného anténního pole. Hlavní výhodou takových systémů je mnohem přesnější polohování objektů v podzemí - ve skutečnosti fungují na principu stereo vidění, jako by radar měl několik anténních očí. Hlavní nevýhodou těchto systémů jsou velmi složité výpočetní algoritmy, které je třeba řešit v reálném čase, což má za následek použití drahých elektronických součástek, obvykle založených na FPGA a GPGPU . Typicky se takové systémy používají pouze u výkonných georadarů s diverzitou antén. Zároveň jsou takové systémy odolnější proti hluku a umožňují získat co nejpřesnější obrázek o rozložení dielektrické konstanty pod zemí.

Aplikace georadar

Georadarový průzkum je instrumentální metoda diagnostiky, která se používá ke studiu zemin na staveništi, ale i základů a nosných konstrukcí různých objektů. Georadarový výzkum se týká nedestruktivních metod a umožňuje určit strukturu půdy nebo struktur bez vrtných jam a vrtů. Kromě toho vám GPR umožňuje detekovat dutiny a inženýrské komunikace pod povrchem země.

Viz také

• GPR

Literatura

• Problematika podpovrchového radaru. Souborná monografie / Ed. Grineva A. Yu. - M .: Radiotechnika, 2005.-416 s.: nemoc. ISBN 5-88070-070-4
• Podpovrchový radar / Ed. Finkelstein M.I. - M.: Rádio a komunikace, 1994

Poznámky

1. ↑ Budhu, M. (2011) Mechanika a zakládání půdy. 3. vydání, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. viz kapitola 3.5.1 Metody průzkumu půd
2. ↑ [1] Archivováno 21. prosince 2015 na Wayback Machine  – hlavní video

Odkazy

• Ground Penetrating Radar (GPR) / Geologie 228/378 Aplikovaná a environmentální geofyzika, přednáška 14 
• Georadarový průzkum základů a základových půd / Aplikace georadaru ve stavebnictví.

Georadarový průzkum