Предыстория
Теоретические основы применения радиоволн для изучения геологических структур были заложены Г.Лови и Г.Леймбахом в 1910 г., а в 1912 г. ими обоснована возможность поисков руд и грунтовых вод радиоинтерференционными методами. В нашей стране первые опытные работы электроразведочными методами, использующими радиочастотные сигналы, начаты в 1925 г. А.А. Петровским [1].В литературе мы не нашли однозначных указаний на то, кто первый предложил и использовал радиолокационный метод в геофизике, поэтому мы будем придерживаться лишь одной из версий первоначального развития событий, изложенной в [1].
Эффект отражения импульсных электромагнитных волн от подповерхностных неоднородностей был случайно обнаружен А. Уэйтом в 1957 г. на ледовом аэродроме в Антарктиде, когда он обратил внимание на то, что радиовысотомер самолета показывал высоту 900 футов еще до момента его отрыва от взлетной полосы. Первоначальное предположение о неисправности высотомера, который представлял собой импульсный радиолокатор, не оправдалось, а выяснилось, что локатор фиксирует сигнал от подножья ледника. Дальнейшие эксперименты показали, что используя импульсный радиолокатор, можно определять толщину льда как с его поверхности, так и с воздуха [2].
Использование стандартной локационной аппаратуры в геофизике оказалось возможным в ограниченном числе случаев, когда затухание радиоволн в среде мало, например, для зондирования сухих песчаников, известняков и каменной соли. Для подавляющего большинства земных пород затухание радиоволн очень велико и для обычных локаторов время прихода отраженных сигналов оказывается столь малым, что они накладываются на зондирующий импульс и не могут быть зарегистрированы [3].
Для увеличения разрешения и потенциала локатора предпринимались попытки использовать широкополосные сигналы с линейной частотной модуляцией или шумоподобные с фазовой модуляцией. Хотя такие попытки продолжаются до сих пор, локаторы, основанные на этом принципе, не дают удовлетворительного разрешения подземных неоднородностей, поскольку база сигнала в большинстве практических случаев оказывается больше, чем время распространения волны от отдельных неоднородностей. Это приводит к тому, что на выходе устройства обработки соседние сигналы плохо разрешаются.
Выход из положения был найден тогда, когда вместо обычного радиолокационного импульса с высокочастотным заполнением стали применять импульс без несущей, который называют моноимпульсом или видеоимпульсом. Такой импульс представляет собой одно или несколько колебаний тока в антенне и имеет относительную полосу спектра, близкую к единице. Моноимпульсный сигнал обладает наилучшими характеристиками для георадара, поскольку обеспечивает максимальную глубину зондирования и максимальное разрешение. Это есть предельный случай трансформации обычного радиоимпульса, когда мы начинаем снижать частоту несущей, чтобы увеличить глубину зондирования, и одновременно уменьшать длительность огибающей, чтобы увеличить разрешающую способность.
Способ формирования видеоимпульса был предложен в 1960 г. И.К. Куком и до сих пор используется в георадарах. В этом способе, который получил название "метода ударного возбуждения антенны", на передающую антенну подается перепад напряжения который и формирует видеоимпульс [4].
В настоящее время во многих странах, таких как США, Япония, Канада и Швеция разрабатываются и выпускаются малыми партиями различные модификации георадаров. В бывшем Советском Союзе этой тематикой занималась кафедра радиолокации Рижского института инженеров гражданской авиации под руководством М.И. Финкельштейна.
Частотный диапазон георадаров обычно лежит в пределах 50-500 МГц, что является компромиссом между глубиной зондирования в единицы - десятки метров и разрешающей способностью в единицы - десятки сантиметров для реальных геологических структур. Получили развитие и более высокочастотные радары, имеющие верхнюю частоту до 40 ГГц, которые имеют глубину зондирования в единицы - десятки сантиметров и используются, в основном, для анализа состояния бетонных строительных конструкций, и которые трудно отнести к геологическим приборам.
Технические характеристики практически всех георадаров, так и их схемные решения мало чем отличаются друг от друга. За основу технического решения принят метод стробоскопического преобразования спектра сигнала в область низких частот, в которой и происходит его регистрация. Ударное возбуждение антенны осуществляется транзисторами в лавинном режиме с перепадом напряжения около 50 Вольт.
Основные технические проблемы, связанные с таким схемным решением - это сложность обеспечения большого динамического диапазона, постоянства амплитудно-частотной и линейности фазо-частотной характеристики стробоскопического преобразования в приемном тракте, что приводит к паразитным колебаниям ("звону") сигнала и маскировке слабых сигналов более сильными. "Звон" приемного тракта является основной причиной малого реального потенциала радаров, который обычно составляет 40 - 50 дБ. (Под реальным потенциалом мы понимаем то ослабление сигнала в среде, при котором радар способен обнаруживать подземные объекты. Отметим, что довольно часто в описаниях георадаров приводят значение его потенциала, вычисленное как отношение мощности передатчика к чувствительности приемника, который не позволяет оценить реальные возможности прибора).
При наличии "звона" естественный способ увеличения реального потенциала - увеличение мощности передатчика или увеличении чувствительности приемника (например, введением накопления сигнала) не приводят к успеху, поскольку паразитные колебания так же усиливаются.
В последнее время в США и Австралии ведутся работы по созданию нового типа георадаров с частотным сканированием. Побудительным мотивом этих работ явилась попытка избежать "звона" сигнала в приемном тракте. В этой схеме локатор работает последовательно на сетке частот и регистрирует спектр сигнала. После этого спектр нормируется на предварительно снятую частотную характеристику приемного тракта и преобразуется во временную область. Этот прием очень хорошо очищает сигналы от "звона", однако поднять реальный потенциал локатора пока не удается, поскольку возникает новая проблема - регистрация слабого отраженного сигнала на фоне непрерывно работающего рядом собственного передатчика.
