1. Глубинный георадар. Исследования геологической структуры подстилающей поверхности.


2. Георадар в подводных археологических исследованиях.


3. Разработка аппаратуры, методов обработки данных для электромагнитного подповерхностного зондирования и опыт их применения.


4. Модификации георадаров для морских подводных работ.


5. Опыт применения георадиолокации в геофизике.


6. "Смотрящие в глубину": Опыт использования отечественных сверхмощных импульсных георадаров серии "Лоза".


7. Георадары «Лоза» для подповерхностного зондирования и их применение.

---

Георадары «Лоза» для подповерхностного зондирования и их применение.

Копейкин В.В., Морозов П.А., Попов А.В., В.Д.Кузнецов
(ИЗМИРАН, г. Троицк),
Беркут А.И., Козляков А.Н. (ООО «ВНИИСМИ», г. Химки).

Российско-Болгарская конференция «Фундаментальные космические исследования.
Дистанционное зондирование Земли и планет», Солнечный Берег, Болгария,
23-28 сентября, 2008 года.

1. Введение

Впервые с проблематикой подповерхностного зондирования ИЗМИРАН столкнулся в начале 90-х годов прошлого века, когда стал участником проекта полета к Марсу «Марс-94». В соответствии с этим проектом по поверхности Марса должен был перемещаться марсоход, на борту которого должен был быть установлен наш прибор, который бы зондировал марсианскую почву на глубину до 500 метров и определил бы на этих глубинах наличие или отсутствие льда, что позволило бы приблизиться к решению проблемы «есть ли жизнь на Марсе». Условия создания прибора были довольно жесткие, как по массе, так и по потреблению электроэнергии от бортовой сети, что приводило к необходимости пересмотра некоторых установившихся к тому времени принципов их построения.

2. Основные принципы построения марсианского радара

Половина килограмма массы и половина ватта потребления от бортовой сети марсохода – это условия эксплуатации будущего прибора – привели к тому, что кафедра радиолокации Рижского института инженеров гражданской авиации РИИГА - признанный к тому времени лидер по георадарам в Советском Союзе - отказалась участвовать в проекте. К тому времени уже многие фирмы, включая РИИГА, выпускали наземные локаторы – георадары – и совершенно однозначно понимали, что поставленную для Марса задачу невозможно решить, по крайней мере, в области известных всему миру схемных решениях георадара. Наш анализ всех публикаций и патентов показал то же самое – общепринятое решение конструкции радиолокатора для подповерхностного зондирования невозможно уместить в заданные параметры по весу и потреблению электроэнергии и что надо искать другие решения. И такое решение было найдено. Это решение можно назвать «принципом фотовспышки». Основы радиолокации говорят о том, что дальность зондирования зависит от энергии принятого сигнала. В общепринятой схеме георадаров используется транзисторный передатчик мощностью около 100 ватт и чувствительный приемник с накоплением энергии сигнала.

Мы решили, что накопление энергии сигнала у нас будет не в приемнике, а в передатчике. Такое накопление энергии проще по конструкции, а конструкция легче по весу. Через маломощный высоковольтный источник питания следует зарядить конденсатор до нескольких тысяч вольт и замкнуть его через разрядник на антенну. Мощность передатчика возрастет примерно в 10000 раз и составит 1 мегаватт. В этом случае может использоваться простейший низкочувствительный и легкий приемник. То есть реализовать «принцип фотовспышки», известный всем фотолюбителям: в течение длительного времени от маломощной батарейки копится энергия, затем она превращается в мощную вспышку света.

Этот и целый ряд других схемных решений позволил сконструировать в рамках ограничения массы и потребления прибор с требуемыми характеристиками, а так же использовать его в качестве ионозонда – для зондирования ионосферы Марса. Для этого использовался один и тот же импульс передатчика. На малых временных интервалах принимались сигналы из-под поверхности Марса, на больших – от ионосферы Марса. Политические и экономические события начала 90-х годов в нашей стране провели к отмене проекта «Марс-94».

3. Наземные приборы марсианского происхождения – георадары серии «ЛОЗА»

После отмены проекта и общего ухудшения экономической обстановки в стране, встал вопрос о выживании коллектива как научного подразделения. В это время мы решили попробовать свои «марсианские» наработки в земных условиях. У нас было принципиально новое схемное решение прибора – георадара – и следовало выяснить, будет ли оно полезным в условиях Земли.

В Москве мы нашли владельцев рижского и ряда других зарубежных приборов, и провели совместно с ними целый ряд экспериментов.

Мы выяснили, что все георадары построены по практически одной и той же схеме, опубликованной в литературе. Реальный потенциал этих приборов составляет 20-40 дБ. Это означает, что прибор обнаруживает подземный объект только тогда, когда сигнал затухает не более чем в 10 – 100 раз по амплитуде. Такое затухание позволяет зондировать среды с низкой проводимостью до глубин в несколько десятков сантиметров. К таким средам относится сухой песок, вечная мерзлота, снег, лед. Во влажных глинах, которые преобладают в Московской области и вообще в средней полосе России эти приборы не работают. У производителей и пользователей георадаров существует твердое убеждение, что «георадары в глинистых почвах работать не могут».

Проведенные эксперименты показали, что наш подход к конструированию радаров может оказаться полезным. Для того чтобы увеличить глубину зондирования, не теряя разрешения, необходимо оставаться в том же частотном диапазоне, но резко увеличить мощность передатчика, как это мы сделали при конструировании локатора для марсианской программы.

Георадары серии «Лоза» построены по схеме, разработанной в свое время для марсохода. Основные отличия от всех известных нам георадаров заключаются в следующем:

1. Импульсная мощность передатчика увеличена примерно в 10000 раз и составляет 1 мегаватт. Здесь особо следует отметить, что средняя мощность по сравнению со стандартными георадарами уменьшилась примерно в 10 раз из-за снижения частоты повторения зондирующих импульсов.
2. Стробоскопический способ регистрации сигнала после его преобразования в низкую частоту заменен на регистрацию в диапазоне рабочих частот с помощью скоростных компараторов.
3. Передатчик работает в асинхронном режиме. Синхронизация осуществляется в приемнике.

Измеренный реальный потенциал георадаров «Лоза» составляет не менее 120 дБ. Это означает, что прибор реагирует на сигналы, которые затухают по амплитуде в один миллион раз.

Перечисленные параметры, реализованные в среднечастотной (50-300 МГц) версии георадара – «Лоза-В», обеспечили реальное достижение глубины зондирования 10 метров в условиях Подмосковья и средней полосы России.

Рис. 1. Радарограмма (без обработки), полученная при пересечении пойменной части берега реки Днепр (г. Смоленск). (1) и (2) древние палеорусла реки Днепр, заполненные речными отложениями.

На рисунке 1 представлен георадарный разрез, выполненный по долине реки Днепр с помощью Лозы-В (антенны 150 см (100 МГц), развертка 256 нс). Глубина зондирования более 10 метров. Грунты – прослойки песка, ила и суглинка.

Высокий потенциал георадара «Лоза-В» позволяет зондировать геологические структуры через водную толщу с поверхности. На рисунке 2 представлен профиль дна озера с максимальной глубиной более 6 метров и геологическое строение придонных слоев грунта на глубину 4-6 метров. Зондирование выполнено с помощью Лозы – В с антеннами 150 см (100 МГц), размещенных на плотике на поверхности воды. Развертка - 512 нс.

Рис. 2. Радарограмма (без обработки), полученная при пересечении озера у горы Голгофа на острове Анзер, Соловки. (1) – гранитное ложе озера, (2) – песчано-галечные отложения.

Рис. 3. Радарограмма, выполненная на плато Гиза в восточной части некрополя. (1) – радарограмма. (2) – план раскопанных гробниц.

На рисунке 3 представлено одно из георадарных сечений (профиль 1205) по данным которого были раскопаны, ранее неизвестные, гробницы на глубине 4-5 метров. Обследование выполнено в экспедиции института Востоковедения РАН с помощью георадара Лоза-В с антеннами 100 см (200 МГц), развертка 256 нс.

Достижение глубин зондирования более 10 метров возможно двумя способами - понижение частоты зондирующего сигнала и увеличение мощности георадара. В георадаре «Лоза-Н» реализованы два этих способа достижения максимальной глубины зондирования. Полоса частот Лозы-Н составляет 1-50 МГц, что позволяет применять антенны 300 см (50 МГц), 600 см (25 МГц) и 1000 см (15 МГц). Георадар модели Н в расширенной версии комплектуется передатчиком мощностью 10 МВт (18 кV). Применение сверхмощного передатчика и низкочастотных антенн позволило существенно увеличить максимальную глубину зондирования.

Рис. 4. Радарограмма, выполненная вдоль полотна железной дороги на участке Дзержинск - Н.Новгород. (1), (2) – слои песка, (3) – известняк, (4) – карст, невышедший на поверхность земли.

На рисунке 4 представлен один из разрезов, выполненных при обследовании карстоопасного участка железной дороги. Наличие карста подтверждено бурением. Работа выполнена с помощью георадара Лоза-Н (антенны 600 см (25 МГц, передатчик 1 МВт). Развертка 1024 нс, глубина зондирования 60 метров.

Рис. 5. Георадарный разрез, выполненный в Нагатинском затоне (река Москва). (1) - вода, (2) – слои песка, речные отложения, (3) – известняк.

На рисунке 5 представлен один из разрезов, выполненных в Нагатинском затоне, при обследовании геологии донных отложений для проекта 4 - кольца. Работа выполнена с помощью георадара Лоза-Н (антенны 300 см (25 МГц), передатчик 1 МВт). Развертка 1024 нс, глубина зондирования около 30 метров. Применение низкочастотных антенн на воде позволило исследовать геологические структуры на ранее недоступных глубинах в придонных слоях водоемов.

Применение сверхмощного передатчика дает увеличение глубины зондирования примерно в 1,7 раза. Низкочастотный георадар «Лоза-Н» с передатчиком 10 МВт позволяет выйти на глубины зондирования 150-200 метров в зависимости от поглощающих свойств грунта. Это дает возможность применять георадар для решения задач классической геологии и для поиска высокозалегающих полезных ископаемых.

На рисунке 6 представлен георадарный разрез, отражающий глубинный разлом земной коры. Поверхностные слои речных отложений регистрируются на глубинах 40-60 метров. Профиль выполнен в долине реки Ока в районе Ступино, Московской области. В работе использовались антенны 600 см (25 МГц) с передатчиком 10 МВт. Развертка - 2048 нс, глубина зондирования – более 100 метров.

Рис. 6. Георадарный разрез, выполненный в долине реки Ока (Ступинский район Московской области).

В 2000 г. с просьбой помочь в поиске греческих городов Боспорского царства (пятый век до н.э.) в георадарную группу обратились представители подводной археологической экспедиции ИАН РФ на Тамани (Краснодарский край). Дело в том, что большинство греческих поселений того периода в результате грезевулканической активности оказались на небольшой глубине под дном моря. Работа по методике, принятой для пресных водоемов – непосредственно с поверхности воды, для соленой морской воды не может быть использована. Радиоволны, на которых работает радар (50-300 МГц), практически полностью поглощаются морской водой на расстоянии около 40 см, даже при мощности передатчика 1 МВт. Но это означает, что если мы поместим прибор непосредственно на дно, и будем перемещать его вдоль поверхности, задача может быть решена. В результате многочисленных экспериментов был создан морской вариант радара, внешний вид на рис. 7. На георадарном разрезе представлено одно из сечений основания восточной части крепостной стены столицы Боспорского царства – Фанагории. Обследование выполнено в составе Таманской экспедиции ИАН РФ (рук. д.и.н. В.Д. Кузнецов) в сезон 2008 года. Район обследования – подводная часть городища Фанагории (Таманский залив Черного моря (соленость 14 ‰), глубина воды 1-1,5 метра). Глубина зондирования 2-3 метра под морским дном.

Рис. 7. Георадарный разрез и внешний вид подводной морской версии георадара «Лоза-В».

Практика работы на больших площадях ставит вопросы о георадарах воздушного базирования. В отличие от наземных георадаров, где диаграмма направленности формируется почвой, для воздушного георадара эта проблема должна решаться другими путями. Таких путей существует несколько, в том числе и использование параболической антенны с резистивно-нагруженными отражателями. Нами в этом направлении проведены первые успешные эксперименты (см. рис. 8). На рисунке представлена конструкция макета параболической антенны с резистивно-нагруженными отражателями, в фокусе которой расположены антенны георадара (300 МГц). Регистратор георадара размещен в верхней части «отражателя» и работает в автоматическом режиме. На георадарном разрезе на участке 0-20 метров отражена структура дорожного основания, на участке 20-24 метра зафиксирован коллектор теплотрассы (глубина 50 см) и зона оттайки грунта. При выполнении профиля, антенны георадара находились на высоте около 2 метров. Глубина зондирования составила до 1 метра.

Рис. 8. Макет воздушной подвески георадара «Лоза-В" и георадарный разрез дорожного основания и коллектора теплотрассы проходящего на глубине 50 см.

По нашему убеждению, георадар, с учетом перспектив развития, станет самым информативным и распространенным прибором в геофизике. Его значение возрастет при изучении Луны и других планет. Неконтактный быстрый способ определения структуры почвы позволяет его использовать как с поверхности планеты и с ее орбиты.

наверх