CC BY
35
УДК 550.837.76, 625.765
А.Ф. Бадриева1, М.Л. Владов2
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ АНТЕНН С КОНЕЧНОЙ ПЛОЩАДЬЮ ЛЕПЕСТКА В ОТРЫВЕ ОТ ПОВЕРХНОСТИ СРЕДЫ
Статья посвящена оценке достоверности и полноты информации о строении дорожной одежды, получаемой при георадиолокационных исследованиях с использованием антенного блока «ОКО АБ-1700» без его непосредственного контакта с поверхностью среды. Обсуждаются результаты лабораторных и полевых экспериментов, сделаны выводы о возможности и целесообразности использования описываемой методики георадиолокационной съемки.
Ключевые слова: георадиолокация, обследование дорог, высокочастотные антенны-бабочки, атрибутный анализ.
This article evaluates accuracy and completeness of the information on pavement structure, obtained by GPR research using antenna unit "OKO AB-1700", without direct contact with the road surface. The paper discusses the results of laboratory and field experiments and leads to conclusions about the feasibility of using described GPR survey methodology during the road survey.
Key words: GPR, road survey, high-frequency aperture antennae, attribute analysis.
Введение. В георадиолокации при решении разнообразных задач для приповерхностной части разреза широко используются хорошо зарекомендовавшие себя антенны с конечной площадью лепестка (антенны-бабочки) серий «ОКО», «ZOND» и др. [Владов 2004; Лушников, 2003].
Однако при работе на автомобильных дорогах требуется быстрое перемещение, например на транспортном средстве, тогда как в классическом варианте работа с антеннами-бабочками требует соблюдения постоянства расстояния от антенны до поверхности земли путем плотного контакта корпуса георадара со средой. Если бы такого контакта можно было избежать, требование быстрого перемещения соблюдалось бы довольно легко. Однако согласованность со средой антенн-бабочек, относящихся к типу бесконтактных экранированных антенн [Кинг, 1984], чувствительна к изменению толщины слоя воздуха между их поверхностью и поверхностью земли.
Традиционно считается, что для работы без непосредственного контакта корпуса георадара со средой имеет смысл использовать только рупорные антенны [Семейкин, 2011]. Однако антенны этого вида обладают сравнительно узкой диаграммой направленности, что при высокой скорости движения транспортного средства приводит к существенному уменьшению пространственного накопления сигналов с потерей детальности наблюдении. Это обусловливает потерю информации о строении нескольких верхних дециметров разреза, которая представляет большой интерес при обследовании автодорог.
Постановка проблемы. Задача нашей работы — исследовать и показать возможность работы антенн-бабочек с отрывом (т.е. без непосредственного контакта с поверхностью земли) без потери информации о строении среды. Сходные задачи согласования возбуждаемого в источнике сигнала с границей между средой и воздухом решаются в морской сейсморазведке, где искомый параметр — глубина погружения источника и приемника [Калинин, 1893]. Результаты нашей работы свидетельствуют о том, что поставленные перед георадиолокацией задачи могут быть решены, но теперь с гораздо более высокой скоростью. Влияние на результат исследований скорости перемещения георадара и числа посылов зондирующего сигнала в единицу времени мы не рассматривали (это может послужить предметом последующих исследований).
Материалы и методы исследований. Аппаратура и методика полевой части эксперимента. Для решения поставленной задачи нами проведена серия экспериментов в лабораторных условиях и на натурном объекте с использованием георадара «ОКО АБ-1700» с антенной-бабочкой и постоянной базой. Центральная частота излучаемого антенной сигнала составляла 1700 МГц [Лушников, 2003]. Все измерения на объектах проводились трижды с разницей 10—15 мин для исключения случайных помех и выбора наиболее информативных георадарограмм.
Для эксперимента выбран георадар с антенной, излучающей высокочастотные электромагнитные колебания. Выбор определен тем, что при георадио-
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра сейсмометрии и геоакустики, аспирант; e-mail: alsu.badrieva@gmail.com
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, заведующий кафедрой сейсмометрии и геоакустики, профессор, доктор физико-математических наук; e-mail: vladov@seismic.geol.msu.ru
локационном обследовании автомобильных дорог наибольший интерес представляют верхние дециметры среды и наиболее остро стоит вопрос повышения скорости движения георадара.
При проведении эксперимента были использованы следующие методики съемки:
1) съемка в непрерывном режиме при неподвижном и расположенном на грунте антенном блоке (АБ);
2) съемка в непрерывном режиме при неподвижной антенне, поднятой над поверхностью среды. Высота поднятия антенны составляла 0—1 м с шагом 5-10 см;
3) съемка в непрерывном режиме при равномерном плавном поднятии антенны над поверхностью среды. Максимальная высота подъема составляла 1,1 м. Через каждые 10 см подъема антенны ставилась метка. На большую высоту антенны не поднимали, поскольку это было сочтено нецелесообразным с точки зрения возникновения помех, вызванных отражением сигнала от объектов, расположенных вне исследуемой среды;
4) сканирование по поверхности среды вдоль профиля с использованием датчика перемещения и съемка в непрерывном режиме вдоль того же профиля с помощью антенны, поднятой над поверхностью грунта. При этом обеспечивалась постоянная высота георадара над поверхностью среды.
Первый способ съемки использовали для оценки стабильности излучаемого сигнала во времени, а также точности определения его атрибутов при неизменных характеристиках среды.
Второй и третий способы съемки применяли для изучения изменения получаемой волновой картины при дискретном и плавном отдалении антенного блока от поверхности среды. На основе этих измерений также сделаны выводы об оптимальной высоте подъема георадара над поверхностью среды.
Выбор оптимальной высоты антенны над поверхностью среды обоснован тем, что сигнал, излучаемый антенной, должен быть стабилен и независим от неизбежных во время съемки флуктуаций высоты антенны. Кроме того, для исследования возможности обнаруживать неглубокие границы, замаскированные сигналом прямого прохождения (далее сигнал ПП), было желательно, чтобы сигнал ПП распространялся преимущественно по воздуху и на радарограммах находился выше отражения от поверхности среды.
Критерием оценки стабильности сигнала и непроникновения сигнала ПП в среду (помимо визуального изучения полученной волновой картины) послужили атрибуты сигнала прямого прохождения.
Сигналом ПП в георадиолокации называется прямая электромагнитная волна, проходящая от излучающей антенны к приемной внутри конструкции георадара (так называемый пролаз), по самому верхнему слою среды и частично по воздуху [Гринев, 2005]. В связи с этим динамические атрибуты сигнала
ПП зависят от согласованности георадара со средой и очень чутко реагируют на изменение условий возбуждения электромагнитных волн. Это и послужило причиной выбора атрибутов сигнала ПП для оценки стабильности сигнала ПП.
Как видно на рис. 1, начиная с определенной высоты подъема антенны над средой атрибуты сигнала ПП практически постоянны и не зависят от изменения высоты подъема прибора. Эта высота и была выбрана для проведения последующих экспериментов.
Четвертый способ измерений использован, чтобы сравнить результаты, полученные при работе с отрывом антенного блока (АБ) от поверхности среды и без отрыва, а также для оценки достоверности и полноты информации, получаемой при работе без непосредственного контакта АБ со средой. Высоту отрыва антенны выбирали по приведенным ранее критериям, она составила 0,3 и 0,45 м.
При сканировании среды в последнем эксперименте особое внимание уделяли обеспечению распознаваемости и минимизации влияния помех из верхнего полупространства. При планировании эксперимента профили были расположены таким образом, чтобы ожидаемые отражения от объектов из верхнего полупространства не накладывались на полезные оси синфазности. Места появления или исчезновения предполагаемых источников помех отмечали на профиле метками. Полезным при идентификации полученных на радарограммах осей синфазности оказалось и сканирование под углом к основному профилю из его исходной точки.
Обследованные среды. Эксперименты проводились в лабораторных условиях и на участке автодороги. В лабораторных условиях объектом исследования послужил ящик с маловлажным средне- и мелкозернистым песком, глубина слоя песка 20 см. Размеры ящика составляли 3x3 м, борта деревянные толщиной 1,5 см, профиль проходил параллельно борту в 15 см от него, сам ящик стоял на суглинистом грунте.
Полевую часть эксперимента выполняли на участке автодороги по ул. Профсоюзная (г. Москва), относящейся к магистралям I класса общегородского значения. Отбор керна и георадиолокационное обследование осуществляли на тротуаре рядом с проезжей частью. Согласно данным бурения, тротуар составляет единое целое с проезжей частью с точки зрения строения дорожной одежды. Обследованный участок тротуара с обеих сторон огорожен заборами, георадиолокационный профиль проходил вдоль них на расстоянии 1,5 м от забора высотой 55 см и на расстоянии 1,7 м от забора высотой 2 м, длина профиля составила 9,8 м.
Строение обследованного участка следующее: 0—25 см — асфальтобетон, 25—35 см — цементобетон, 35—50 см — песок средней крупности. Керн отбирали с использованием станков ручного сверления c бензиновым приводом сверлильной системы «ROBO-
0,8 0,9 1 м
х 105
т 1
-
''Нк;—\
. . . „ ' - 1 , .
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 м
Й1,2: (-Н
ьгМ
са ,
а 0,9'
га
«0,7
I 0,6: &
и 0,5;
а
Я 1,4.
кн
(-Н 1,3: &1,1
I 1
8 0,9'
§0,8: К
о
¿,0,8:
0,61 0,4.
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 8 0,9 м
у -
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 д 8 0,9 1 м
0
ОД
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 м
Рис. 1. Пример типичной георадарограммы (а), полученной при плавном отрыве антенного блока «ОКО АБ-1700» от поверхности дорожного покрытия, а также зависимость атрибутов сигнала ПП, рассчитанных по этой георадарограмме, от высоты подъема антенны (а), амплитуды на центральной частоте (б), центральной частоты (ГГц) (в), ширины
спектра (ГГц) (г) и О-фактора (д)
301» с двухтактным двигателем «ВМ-145 Husqvarna 265RX».
Обработка данных. Радарограммы, полученные в результате экспериментов, были подвергнуты следующим процедурам обработки:
— просмотр и редактирование полевых рада-рограмм, в результате чего из них выбраны те, на которых границы и структурные особенности сред наблюдались наиболее отчетливо;
— регулировка усиления по экспоненциальному профилю;
— определение скорости распространения электромагнитных волн в исследуемых средах: для воздуха взята известная скорость света в вакууме, скорость электромагнитных волн в исследуемых средах рассчитана с использованием метода подбора [Владов, Старовойтов, 2005] и скважинных данных о мощности слоев в исследованных средах;
— коррекция положения нулевого уровня рада-рограмм: для радарограмм, полученных без отрыва антенны от поверхности среды, положение нуля задавали по первому вступлению сигнала ПП. На радарограммах, полученных с отрывом антенны от среды, нуль шкалы глубин соответствует отражению от границы среда—воздух;
— пикировка границ в исследованных средах.
Основой для количественной оценки условий согласованности георадара со средой на разной высоте прибора над ее поверхностью, а также для сравнения предлагаемой методики георадиолокационных работ с традиционной методикой с точки зрения достоверности и информативности послужили расчеты амплитудных и спектральных атрибутов сигнала вдоль осей синфазности разного генезиса. Использован атрибутивный анализ, так как он позволяет решить следующие поставленные нами задачи: во-первых, исследовать изменения частоты, ширины спектра, амплитуды сигнала при разных способах возбуждения электромагнитных колебаний в среде и сделать выводы об оптимальной высоте антенны над поверхностью среды; во-вторых, при работе с георадаром без контакта со средой расчет атрибутов позволяет дать количественную оценку того, насколько постоянными остаются при этом частотные характеристики сигнала вдоль отражений от границ с известной глубиной залегания (целевых), а также оценку потерь в амплитуде отражений от этих границ.
При обработке полученных данных расчет атрибутов проводили вдоль осей синфазности разного генезиса в зависимости от целей конкретного эксперимента.
При оценке стабильности сигнала георадара во времени, а также при изучении изменения получаемой волновой картины при дискретном и плавном отдалении антенного блока от поверхности среды анализировали атрибуты сигнала ПП, который наилучшим образом иллюстрирует условия согласованности георадара со средой. При проведении работ с
георадаром, приподнятым над средой, и сравнении этих данных с результатам обследования без его отрыва от среды атрибуты рассчитывали вдоль отражений от целевых границ.
Расчет атрибутов волнового поля вдоль целевых границ проводили в программе ГЕОРАДАР -ЭКСПЕРТ (© Р.Р. Денисов) в скользящем окне шириной 3 фазы, соответствующие выделенной оси синфазности.
Обоснование выбора атрибутов. Рассчитаны следующие атрибуты: амплитуда на центральной частоте, центральная частота сигнала, ширина спектра сигнала на уровне 0,7 от амплитуды на центральной частоте (далее ширина спектра) и атрибут Q-фактор, равный отношению центральной частоты сигнала к ширине спектра.
Атрибуты, выбранные для исследования, отвечают условиям потенциальной взаимосвязи со свойствами конструктивных слоев дорожной одежды и ее оснований, а также относительно простого механизма их расчета.
Амплитуда отраженного сигнала позволяет выделить границы участков с отличающейся энергией сигнала, которая напрямую зависит от диэлектрической проницаемости среды. В связи с этим при обработке данных георадиолокации, как и в сейсморазведке, амплитудные атрибуты используются довольно часто, особенно при наличии в разрезе градиентных изменений диэлектрической проницаемости и зон с разными плотностью и увлажненностью, которые, как правило, связаны с трещиноватостью и пустотностью исследуемой среды [Владов, 2004].
Атрибут Q-фактор (Q*), предложенный в 1994 г. в работе [Turner, 1994], в последнее время часто используют при обработке данных георадиолокации как авторы статьи и их коллеги в производственной деятельности, так и другие исследователи [Bradford, 2006; Charles, 2008; Irving, 2003; Kenneth,2002]. Этот атрибут тесно связан с такой часто используемой в сейсморазведке характеристикой затухания в резонансных колебательных системах, как добротность [Charles, 2008]. Поскольку в реальных средах электромагнитные колебания не являются резонансными, используются разные подходы к приближенной оценке добротности системы. Отношение центральной частоты сигнала к ширине его спектра — один из способов оценки затухания в системе. Как показывает практика, этот атрибут позволяет довольно уверенно определять местоположение как контрастных, так и градиентных границ между объемами среды с разной диэлектрической проницаемостью, особенно при наличии увлаженных или разуплотненных зон в среде.
Эффективность использования этого атрибута объясняется тем, что он позволяет анализировать одновременное изменение наиболее информативных спектральных атрибутов, так как частота колебаний в отраженном сигнале связана с влажностью грунтов
[Владов, 2004], а в соотношении с шириной спектра она характеризует степень затухания электромагнитных волн в среде [Bradford, 2006; Charles, 2008]. Расчет значений центральной частоты сигнала и ширины его спектра по отдельности менее информативен, чем расчет значений Q-фактора, однако позволяет оценить вклад каждого атрибута в изменения значений Q-фактора, что способствует более корректной интерпретации распределения его значений. В связи с этим в рамках нашей работы мы рассчитывали и анализировали распределение значений всех указанных спектральных атрибутов.
Результаты исследований и их обсуждение. В ходе экспериментов и обработки георадиолокационных данных получены результаты, позволившие сделать выводы об особенностях использования высокочастотных антенн-бабочек, приподнятых над исследованными средами. Сделанные выводы касаются нескольких аспектов такой методики работы с георадаром.
Стабильность сигнала и точность определения атрибутов. Выявлено, что сигнал с центральной частотой 1700 МГц, излучаемый антенным блоком «ОКО АБ-1700», стабилен во времени. Об этом свидетельствует стабильность сигналов прямого прохождения при неизменном положении АБ на поверхности среды или в воздухе над ней (табл. 1). Как видно из данных этой таблицы, атрибуты сигнала прямого прохождения имеют малое стандартное отклонение и незначительно отличаются во времени от средних значений.
Таблица 1
Статистические параметры вычисленных атрибутов при
неподвижном АБ, расположенном на поверхности среды
Среда Статистический показатель Атрибут
центральная частота, ГГц ширина спектра, ГГц Q-фак-тор амплитуда
Песок Среднее значение 0,73 0,51 1,41 57103
Стандартное отклонение 0 0 0,01 573,16
Относительная погрешность 0 0 0,01 0,01
Дорожная одежда Среднее значение 0,72 0,52 1,38 54837
Стандартное отклонение 0 0 0,01 0
Относительная погрешность 0 0 0 0
Изменения волновой картины при отдалении АБ от поверхности грунта. При отрыве антенны от поверхности исследуемого грунта происходит рассогласование поверхности антенны с поверхностью среды, причем когда антенна находится достаточно близко к поверхности среды, наблюдается интерференция сигнала ПП и сигнала, отраженного от поверхности среды. По мере отдаления антенны эти оси синфаз-
ности расходятся и их становится возможно разделить (рис. 1). При этом интенсивность отражений от границ уменьшается, появляются интенсивные кратные отражения от поверхности среды.
Поведение атрибутов сигнала ПП при подъеме антенного блока и выбор высоты отрыва антенны. Пример графиков зависимости атрибутов сигнала ПП от высоты подъема антенны над поверхностью среды и радарограмма, на основании которой они рассчитаны, приведен на рис. 1. На этих графиках видно три интервала при подъеме антенн над поверхностью среды с разными условиями согласования антенны со средой.
В первом интервале, отвечающем наиболее близкому расположению антенны, она является согласованной с исследуемым полупространством, сигнал ПП и отражение от поверхности среды практически совпадают, а атрибуты сигнала ПП остаются практически неизменными. Этот интервал условно назовем интервалом согласованности со средой. Высота поднятия антенны, при которой наблюдается подобная волновая картина, составляет 9—10 см.
Во втором интервале, который условно назовем переходным, наблюдается рассогласование поверхности антенны и поверхности среды, при этом происходит постепенное расхождение сигнала ПП и отражения от поверхности среды. В связи с этим значения атрибутов сигнала ПП в этой зоне претерпевают значительные колебания. Для «ОКО АБ-1700» эти явления наблюдаются на высоте отрыва антенны от 9-10 до 20-21 см.
В третьем интервале (от 30 см) значения атрибутов снова становятся постоянными, поскольку сигнал ПП перестает накладываться на отражение от границы грунта. Эта зона и представляет наибольший интерес для оценки возможности работы с дипольной антенной, приподнятой над поверхностью среды.
Отметим, что хотя абсолютные значения атрибутов сигнала ПП для различных обследованных сред отличались, границы зон с разными условиями согласования антенны сохранялись практически неизменными.
Оценка достоверности и полноты информации о среде, получаемой при работе с отрывом антенного блока от ее поверхности. На разных стадиях дорожного строительства, эксплуатации и реконструкции обычно используются георадары с разной центральной частотой и другими техническими характеристиками, поскольку задачи, которые стоят перед методом георадиолокации, различны в зависимости от стадии работ. Относительно малоглубинные и дающие данные с высоким разрешением высокочастотные антенны, использование которых и составляет объект наших исследований, обычно применяются на стадиях разработки рабочей документации, а также эксплуатации и реконструкции автодорог. К решаемым задачам относятся проверка толщины конструктивных слоев дорожной одежды и толщины слоев грунта зем-
ляного полотна, выявление дефектов в дорожной одежде и грунтах земляного полотна (пустоты, зоны разуплотненных грунтов и инфильтрации воды, зоны переувлажненных грунтов и т.д.), поиск погребенных коммуникаций, определение глубины залегания уровня грунтовых вод и размеров переувлажненных зон грунта земляного полотна для оценки эффективности работы дренирующих устройств, а также оценка однородности дорожно-строительных материалов [Владов, 2004; Лушников, 2003; Evans, 2009].
Для решения этих задач необходимо использовать как кинематические, так и динамические особенности получаемой волновой картины, поэтому при работе с отрывом АБ от поверхности среды необходимо представлять, каким образом отрыв антенны отражается на обеих группах характеристик волнового поля.
В связи с этим проведены эксперименты, в ходе которых оценивалась возможность обнаружения в среде границ, выявляемых при традиционной методике георадиолокационных работ, а также возможность обнаружения локальных объектов.
Возможность обнаружения контрастных границ без непосредственного контакта антенны-бабочки с поверхностью среды. Метод георадиолокации широко используется для определения мощности слоев дорожной одежды и грунтового основания, однако у существующей методики георадиолокационных работ на дорогах есть два недостатка. Во-первых, это уже упомянутая низкая скорость сбора данных Помимо этого есть также сложность и технического характера: первая граница между конструктивными слоями дорожной одежды (например, граница асфальто- и цементобетона) часто залегает на небольшой глубине (10—25 см) и не может быть четко распознана на фоне высокоамплитудного сигнала ПП.
Метод работы с антенной георадара, приподнятой над средой, позволяет получить достаточный для решения данной задачи объем информации и устранить указанные недостатки традиционной методики. При этом повышение вероятности распознавания неглубоких границ объясняется тем, что единичные
отражения (будь то от поверхности среды или от первой границы) имеют меньшую длительность, чем сигнал ПП, в связи с этим разрешающая способность по горизонтали на первых нескольких дециметрах от поверхности разреза при работе с приподнятым над средой АБ увеличивается.
На рис. 2 приведены радарограммы, полученные на обоих объектах с использованием георадара «ОКО АБ-1700» без отрыва от поверхности среды и с отрывом в 30 и 45 см.
В обеих средах, особенно в дорожном покрытии, границы, расположенные на глубине 20—50 см и различимые на радарограммах, которые получены без отрыва георадара, прослеживаются и на радарограммах, полученных при отрыве георадара от среды. В случае первого объекта видна граница — дно песочницы, в дорожной одежде отлично прослеживаются кровля и подошва слоя щебня. Отметим, что на радарограммах, полученных без отрыва георадара, оси синфазности отражений от дна песочницы и от границы асфаль-то- и цементобетона практически неразличимы из-за наложения высокоамплитудного сигнала ПП, в то время как при поднятой над поверхностью среды антенне эти границы обнаруживаются.
В табл. 2 приведены средние значения атрибутов волнового поля вдоль целевых границ, рассчитанные по результатам трех параллельных экспериментов, а также соотношение атрибутов, полученных без отрыва антенны от поверхности среды, к значениям соответствующих атрибутов, полученных при работе с георадаром, приподнятым над средой на 30 и 45 см.
Поскольку соотношение значений частотных атрибутов, полученных с отрывом георадара, к их же значениям, полученным без отрыва антенны, составляет 0,76—1,3, можно утверждать, что при подъеме антенны на 30—45 см от поверхности среды частотные характеристики отраженного сигнала меняются незначительно.
С амплитудой и энергией сигнала, как и следовало ожидать, дело обстоит иначе. В обеих исследованных средах наблюдалось значительное уменьшение ампли-
Таблица 2
Средние значения атрибутов волнового поля вдоль границ в исследованных средах
Граница Описание способа получения данных Атрибуты
центральная частота, ГГц ширина спектра, ГГц Q-фактор амплитуда
Дно ящика с песком Абсолютные значения атрибутов, полученные без отрыва антенны 0,81 0,71 1,19 8412
при отрыве 30 см 0,95/0,85* 0,71/1,00 1,34/0,89 888,67/9,47
при отрыве 45 см 1,06/0,76 0,66/1,07 1,88/0,63 600,33/14,0
Кровля щебня Абсолютные значения атрибутов, полученные без отрыва антенны 1,05 0,59 1,83 11322
при отрыве 30 см 1,06/0,98 0,66/0,90 1,73/1,06 2256/5,02
при отрыве 45 см 1,19/0,88 0,71/0,84 1,81/1,01 1485/7,62
Подошва щебня Абсолютные значения атрибутов, полученные без отрыва антенны 0,98 0,47 1,83 5250
при отрыве 30 см 0,88/1,11 0,49/0,95 1,73/1,06 1616/3,25
при отрыве 45 см 0,81/1,21 0,37/1,28 1,81/1,01 1605/3,27
* Справа от черты приведено отношение значений атрибутов, полученных без отрыва антенны, к значениям, полученным при антенне, приподнятой над поверхностью среды.
Рис. 2. Радарограммы, полученные при работе с разной высотой отрыва антенны георадара от поверхности песка (а, б, в) и дорожной одежды (г, д, е), а также пример изменения вида дифрагированной волны от локального объекта в песчаном грунте (ж, з, и). Высота отрыва георадара составляет 0, 30 и 45 см соответственно. Цифрами обозначены оси синфазности, соответствующие: 1 — дну ящика с песком, 2 — кровле щебня, 3 — подошве щебня, 4 — границе асфальто- и цементобетона, 1 — дифрагированной волне, И — отражению
от бортов ящика с песком
туды отражения: в песчаном грунте в 9,5—14 раз, в дорожной одежде в 3,25—7,62 раза, т.е. при обследовании дорожного покрытия потери в информативности в 2—3 раза меньше. Также наблюдается закономерное уменьшение амплитуды отраженного сигнала при увеличении расстояния от антенны до поверхности
среды, при этом для более глубокой подошвы щебня в дорожной одежде потери в амплитуде отражения меньше, чем для менее глубокой кровли этого слоя. Однако, несмотря на столь значительные потери в амплитуде сигнала, отраженного от исследованных границ, оси синфазности, связанные с этими грани-
цами, достаточно хорошо различимы для однозначного определения местоположения этих границ.
Отметим, кроме того, что в связи с разной скоростью электромагнитных волн в воздухе и исследованных средах вертикальные смещения антенного блока с амплитудой ±7,5 см во время съемки дают искажение глубины искомой границы внутри среды на ±2,5 см.
Влияние подъема антенного блока на возможность обнаружения локальньх объектов. Неоднородности среды, размер которых не превышает 1/2 длины волны излучаемого электромагнитного поля, принято называть локальными объектами. Общеизвестно, что при работе с согласованной с грунтом антенной ось синфазности электромагнитных волн, отраженных от точечных объектов, имеет форму гиперболы, которая называется гиперболой дифракции. При этом глубина залегания вершины гиперболы зависит от глубины залегания локального объекта, а наклон ее ветвей определяется эффективной скоростью электромагнитных волн в объеме среды между поверхностью антенны и верхней точкой локального объекта.
При отдалении антенного блока от поверхности исследуемой среды наблюдается (рис. 2) изменение углов наклона ветвей гиперболических осей синфаз-ности. Это связано с увеличением эффективной скорости распространения волн от поверхности антенны до локального объекта при увеличении длины пути, проходимого волнами по воздуху, где скорость волн приближена к их скорости в вакууме. Иначе говоря, при отрыве антенны от поверхности среды происходит выполаживание ветвей гипербол дифракции и приближение их формы к гиперболам дифракции от локальных объектов, расположенных над исследуемой средой. При этом дифрагированные волны из верхнего полупространства могут маскировать дифрагированные волны, связанные с локальными объектами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2004.
Вопросы подповерхностной георадиолокации / Под ред. А.Ю. Гринева. М.: Радиотехника, 2005.
Калинин А.В., Калинин В.В., Пивоваров Б.Л. Сейсмоаку-стические исследования на акваториях. М.: Недра, 1983.
Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах. М.: Мир, 1984.
Методические рекомендации по применению георадаров при обследовании дорожных конструкций / Под ред. Н.А. Лушникова и др. М.: РОСАВТОДОР, 2003.
Семейкин Н.П., Помозов В.В. Георадары «ОКО». Сравнение возможностей АБ-1700 и АБ-1700Р (рупорный) по зондированию дорожного покрытия. URL: http://www. geotech.ru/about/stati (дата обращения: 22.02.2012).
Aki K, Richards P.G. Quantitative seismology: Theory and methods. N. Y.: W.H.Freeman&Co., 1980.
Однако при работе с отрывом антенны можно обнаружить локальные объекты, поскольку при известной высоте подъема антенны над поверхностью возможна коррекция значений эффективной скорости.
Выводы. 1. Сигнал антенны «ОКО АБ-1700» стабилен во времени.
2. Оптимальная высота отрыва антенны «ОКО АБ-1700» от границы среда—воздух составляет 30—50 см, на меньшей высоте отрыва получению полезной информации о разрезе препятствует наложение сигнала прямого прохождения и отражения от границы сред, на большей — увеличивается вероятность появления на радарограммах отражений от объектов из верхнего полупространства.
3. Эксперименты, проведенные как на покрытии автодороги, так и на песчаном грунте, показали, что при работе с приподнятым над средой антенным блоком контрастные границы, находящиеся на глубине до 50 см, наблюдаются на радарограммах; частотные характеристики сигнала вдоль этих границ при работе с приподнятой над средой антенной сохраняются.
4. Амплитуда сигнала, отраженного от границ в среде, уменьшается в среднем на порядок, но остается достаточной для выявления положения этих границ. Потери в амплитуде отраженного сигнала в дорожной одежде в 2 раза меньше, чем такие потери в песчаном грунте.
5. Вертикальные флуктуации расстояния от антенны до поверхности среды при работе с антенным блоком, приподнятым над средой, приводят к незначительным искажениям определения глубины границ в среде.
6. Метод работы с георадаром, оторванным от поверхности среды, применим при решении задачи обнаружения локальных объектов. При определении эффективной скорости в грунте требуется поправка за высоту подъема антенны.
Bradford J.H. Frequency dependent attenuation analysis of groundpenetrating radar data. URL: http://cgiss.boisestate.edu/ pubs/BHRS/Conference (дата обращения: 21.12.2011).
Evans D. Optimising ground penetrating radar (GPR) to assess pavements. Derby, 2009.
Charles E.E. Using ERI to apply an inverse Q* filter to GPR data. URL: http://www.geoconvention.org/archives/ 2008abstracts/209.pdf (дата обращения: 26.10.2011).
Irving J.D., Knight R.J. Removal of wavelet dispersion from ground-penetrating radar data // Geophysics. 2003. Vol. 68, N 3. P. 960-970.
Kenneth R., Maser E. Use of ground penetrating radar data for rehabilitation of composite pavements on high volume roads. Arlington, 2002.
Turner G., Siggins A.F. Constant Q attenuation of subsurface radar pulses // Geophysics. 1994. Vol. 59, N 8. P. 1192-1200.
Поступила в редакцию 16.05.2012
