Повышение эффективности георадиолокационного обследования конструкций тоннелей метрополитенов за счет уменьшения помехового влияния прямой волны Текст научной статьи по специальности «Физика»

© В.В. Набатов, 2014

УЛК 550.8:[624.19:625.42+624.07] В.В. Набатов

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ ЗА СЧЕТ УМЕНЬШЕНИЯ ПОМЕХОВОГО ВЛИЯНИЯ ПРЯМОЙ ВОЛНЫ

Описана методика полевых измерений и обработки данных, направленная на подавление прямой волны георадара. Сфера применения методики ограничена задачами обследования строительных конструкций зданий и подземных сооружений.

Ключевые слова: георадар, георадиолокация, прямая волна, подавление прямой волны, армирование, выделение отражающих границ, интерпретация результатов, неразрушаюший контроль, обследование тоннелей.

ш я омеховые факторы одна из самых острых проблем при Л Л георадиолокационных исследованиях. Особенно остро эта проблема стоит при работах в мегаполисах, характеризующихся неоднородностью грунтов (искусственные грунты, изменённые геологические гидрорежимы, мусор в поверхностном слое) и электромагнитными помехами. Некоторые из приёмов направленных на преодоление этих проблем были изложены в [1]. При обследованиях подземных (тоннели метро, коллектора) и наземных сооружений (строительные конструкции) проблемой становятся так же и помехи создаваемые самим георадаром. Достаточно сильно в этих задачах могут мешать воздушные помехи, а также влияние на результаты прямой волны (далее — ПВ).

Из-за близости антенн друг к другу и наличия между ними однородной слабо поглощающей среды (воздух) ПВ обладает большой амплитудой и малым временем первого вступления. Из-за многопе-риодности георадарного импульса ПВ обладает так же достаточно большой длительностью. Принято выделять собственно прямую волну (direct signal, direct air wave) и прямую грунтовую волну (direct

43

ground wave) [1 c.12; 1, c. 95]. Учитывая, что антенны высокочастотных георадаров в ряде случаев поднимают на колёсную базу, грунтовая волна может не наблюдаться, но на форму ПВ может влиять поверхность объекта контроля, над которой находится георадар. Описываемые волновые процессы образуют некую сложную помехо-вую картину, обладающую большой амплитудой и накладывающуюся на полезные отражённые импульсы. При этом задачи обследования конструкций обычно таковы, что необходимо анализировать радиообразы объектов, находящиеся как раз на тех временах радарограмм на которых влияние ПВ еще очень существенно.

Существует практика подавления прямой волны с помощью различных методов фильтрации. Одно из распространённых решений представляет собой горизонтальную фильтрацию в виде вычитания среднего значения в горизонтальном скользящем окне (далее по тексту ВСЗ). Этот подход достаточно эффективен, но обладает рядом недостатков. Во-первых, он вносит артефакты обработки в результаты измерений. Во-вторых, будучи эффективным в подавлении любых горизонтальных осей синфазности, в некоторых случаях он подавляет и полезные оси. Например, образованные границей «грунт-обделка», или «стена-воздух» (в последнем случае это происходит не всегда — граница в этом случае более выражена за счёт большего контраста по диэлектрической проницаемости).

Однако фильтрация не единственный выход. В случае если бы на профиле можно было получить две различные радарограммы, одну типичную, а другую содержащую частично представленное помеховое волновое поле, то вычитание помеховой радарограммы могло бы подавить помехи и существенно облегчить интерпретацию данных исходной радарограммы.

Одним из простейших вариантов могли бы стать съёмки с учётом поляризации создаваемого георадаром излучения. На рис. 1 представлены не фильтрованные радарограммы одного и того же профиля. Использован георадар ОКО-2 1700 МГц; программа обработки — Geoscan32. На всех приведённых в статье радарограммах ось глубин справа, ось времён слева. Контролировалось, что бы профиль шёл вдоль одного из рядов армирования, т.е. не пересекал пруты под острым углом. Рисунок 1, а отличается от рис. 1, б разворотом антенны на 90°.

44

На рис. 1, а отчётливо просматривается ряд армирования (несколько прутов выделено стрелками). На рис. 1, б ряд полностью отсутствует в связи с некорректно выбранной плоскостью поляризации излучения (геометрия профилей идентична). Причём ряд не выделяется ни миграцией, ни другими методами обработки: рис. 1, в это радарограмма рис. 1, б после ВСЗ — хорошо видно отсутствие гипербол от армирования.

Вполне допустимо предположить, что радарограмма рис. 1 б содержит ПВ, волновая форма которой (со всеми её возможными слабыми вариациями вдоль по профилю) приблизительно соответствует ПВ радарограммы рис. 1, а. Вычитая разрез б из разреза а, можно получить разностную радарограмму в которой подавлена ПВ (см. рис. 1, г). На рис. 1, г хорошо просматривается обратная сторона плиты и ряд армирования. Стало более очевидно, что ряд единственный (были сомнения из-за того, что, пересекаясь «усы» гипербол первого ряда образуют ложные вершины гипербол якобы присутствующего второго ряда).

Рис. 1. Выявление параметров армирования: а и б — съёмка с разным положением антенны; в — результат применения ВСЗ; г — разностная радарограмма. Георадар ОКО-2 1700 МГц

45

Часто с задачей выделения второго ряда такие подходы как ВСЗ и гиперболическая миграция не справляются, что связано с помеховым влиянием верхнего ряда арматуры. При обработке на радарограмме рис. 1, г выделены контура (пространственный фильтр, используемый для обострения деталей, часто применяемый в обработке изображений с использованием так называемых масок фильтров [1, с. 186]). Однако в невычтенной радарограмме выделение контуров не позволило принять решение о количестве рядов.

Еще один пример можно увидеть на рис. 2. Здесь — рис. 2, а и рис. 2, б различаются ориентацией антенны, рис. 2, в — результат вычитания радарограммы б из а. Конструкция не армирована, но содержит отдельные пруты, один из которых виден на точке 36 см (цифра 1). На рис. 2, а он слабо выражен. На рис. 2, б — отсутствует и не выделяем с помощью ВСЗ; зато на этой радарограмме хорошо просматривается длительная многопериодная ПВ. На рис. 2, в объект достаточно хорошо просматривается. Видна верхняя точка гиперболы, а усы гиперболической оси синфазности достаточно длинны, чтобы можно было оценить диэлектрическую проницаемость (толщина конструкции при этом совпала с ожидаемой). Радарограммы дополнительно никак не обработаны и имеют одинаковую шкалу кодирования уровней амплитуд (включая охватываемый динамический диапазон) и профиль усиления.

В полевых условиях на ряде объектов снимать профиль с изменённым положением антенны не удобно. Однако полевую работу можно упростить, если в качестве помеховой радарограммы использовать размноженную единственную трассу (далее — опорная трасса). Т.е. нужно взять трассу, в которой в основном присутствует только ПВ и составить из неё радарограмму с количеством трасс равным количеству трасс в исходной радарограмме. Выбрать опорную трассу нужно так что бы она содержала в основном помеховое волновое поле (в первую очередь ПВ), которое не меняется вдоль по профилю. Результатом вычитания будет разностный разрез профиля и опорной трассы. Процесс размножения трассы и вычитания радарограмм можно достаточно удобно организовать в веозсап32.

Здесь возможно возникнет вопрос — можно ли считать волновую форму ПВ неизменной вдоль по профилю (именно это предполагает использование радарограммы составленной из размноженной опорной трассы). Дело в том, что на излучение антенны влияет при-

46

Рис. 2. Выявление объектов в конструкции: а и б — съёмка с разным положением антенны; в — разностная радарограмма. Георадар ОКО-2 1700 МГц

летающий к ней массив (геомассив или массив объекта контроля) — практически вы всегда снимаете профиль с несколько изменённой частотой, нежели номинальная частота георадара (сравнение трасс, когда георадар находится на объекте контроля и когда вне него представлено на см. рис. 3, а). Обычно частота падает и её снижение связано с электрическими свойствами обследуемого массива.

При обследованиях грунтов не приходится ожидать стабильности электрических свойств геомассива вдоль по профилю — волновая форма ПВ будет сильно варьировать (см. рис. 3, б). Особенно остро

Рис. 3. Сравнение волновых форм ПВ полученных при измерениях на различных объектах: а — сравнение трасс для случая, когда георадар находится на объекте контроля и когда находится на большом расстоянии от объекта (ОКО-2 1200 МГц; по графикам можно заметить снижение средней частоты спектра при съёмке на объекте); б — три трассы, полученные при измерениях на грунтах (ОКО-2 Тритон 100 МГц; расстояния между точками на профиле 10-20 м); в — две трассы полученные на строительной конструкции вне влияния прутов армирования (ОКО-2 1200 МГц; расстояния между точками на профиле 4,5 м); г — трассы снятые над арматурным прутом (АП) и в стороне от него

48

это будет проявляться при работе на грунтах мегаполисов. Однако строительные конструкции как раз представляют собой объекты со слабо меняющимися свойствами вдоль по профилю. Это иллюстрирует рис. 3, в — взятые на условно большом расстоянии трассы имеют практически идентичную форму ПВ. Исключением является точки над прутами армирования (см. рис. 3, г). Другими словами для получения опорной трассы стоит использовать точки между прутами армирования. В принципе, такую трассу можно взять и из уже снятой радарограммы (в этом случае удобно будет выбрать трассу, расположенную между прутами армирования), или из радарограммы с изменённым положением антенны.

Возможной проблемой может стать некоторый аппаратный люфт, временное смещение ПВ, которое можно увидеть на радарограмме рис. 1, а и б. Одного и того же уровня амплитуд ПВ достигает на различном времени (в начале радарограммы позже, в конце — раньше). Для того, что бы подчеркнуть сдвиг, на рис. 1, а и б нанесены пунктирные горизонтальные линии. Люфт этот просматривается на всех радарограммах рис. 1 и обостряется при ВСЗ (см. рис. 1, в). В случае с ОКО-2 люфт оказался достаточно мал (0,08 нс). Вряд ли стоит ожидать серьёзного его влияния на результаты.

На рис. 4 представлены примеры использования методики с вычитанием помеховой радарограммы составленной из опорной трассы. Рис. 4, б — результат съёмки по боковой вертикальной поверхности балки (см. рис. 4, а; съёмки в тоннелях метро). Задача — выявить, сколько прутов армирования содержит балка в этом направлении. Возможность снять только небольшое количество трасс и помехо-вое влияние близлежащих конструкций сильно осложняет задачу. Рис. 4, а — исходная радарограмма, рис. 4, б — разностная (обработка, кодирование амплитуд цветом и профиль усиления одинаковы). Стали хорошо видны пруты армирования (цифры 1 и 2), у левого прута видна только правая часть гиперболической оси синфазности. Хорошо видно отсутствие прута между крайними прутами (цифра 3) Цифра 4 — воздушная помеха. Рис. 4, г представляет собой пример съёмки вдоль по балке, осложнённой прямой волной и отражением от перекрытия. После вычитания помеховой радарограммы выделились хомуты (рис. 4, д). Обработка и кодирование амплитуд цветом на рис. 4, г и д одинаковы.

49

Рис. 4. Выявление характера армирования балок. Георадар 1700 МГц. Пояснения см. в тексте

ОКО-2

При работе на фундаментных плитах и обделках метро часто требуется обследовать границу «конструкция-грунт» (в основном нужно оценить качество контакта и расстояние до границы). На первый взгляд опорная трасса будет содержать не только прямую волну, но и донное отражение (отражение от границы «конструкция-грунт»). Т.е. при вычитании помеховой радарограммы, исчезнет и полезная ось синфазности, образованная важной границей. Однако ПВ распространяется в однородной среде. Отражённая же волна проходит через материал плиты (или обделки), электрические свойства которого варьируют вдоль по профилю. Этих вариацией в большинстве случаев не достаточно, чтобы сильно менять форму ПВ (имеются ввиду вариации рис. 3, в), но достаточно что бы менять форму отражённого импульса.

Это иллюстрирует разностная радарограмма рис. 5. Пунктиром показано то место, откуда взята опорная трасса (цифра 1). Можно заметить, что ось синфазности донного отражения (цифра 2) теряется в области опорной трассы и проявляется на некотором расстоянии тот неё. Вполне допустимо предположить, что это происходит из-за изменяющихся свойств объекта контроля. Т.е. и форма и в какой-то степени время приходящего донного отклика изменяются тем больше, чем дальше находится трасса радарограммы рис. 5 от точки опорной трассы.

Это варьирование заметно и для ПВ (её «остатки» лучше просматриваются в правой части радарограммы рис. 5; ось синфазности ПВ указана цифрой 3). При этом подобный результат не обязателен: на рис. 6, е можно увидеть, что ПВ подавилась на всём профиле, а донная ось синфазности исчезает только в области опорной трассы.

Рис. 5. Вариации электрических свойств влоль по строительной конт-струкции: 1 — опорная трасса; 2 — донная ось синфазности; 3 — ПВ. Георадар ОКО-2 1200 МГц

51

Рис. 6. Выделение границ с помощью помеховых радарограмм: а-г

измерения в лотке и результаты их обработки; д — е измерения на бетонной подушке и результаты их обработки; 1 — опорная трасса; 2 — граница в путевом бетоне; 3 — граница «бетонная подготовка — бетонная подушка»; 4 — локальный объект. Георадар ОКО-2 1700 МГц. Пунктирной горизонтальной линией на последних двух радарограммах дано одно и то же время — 3,19 нс

Практические примеры выделения донной оси синфазности приведены на рис. 6. Рис. 6, а-г это результаты измерения в водоотводном лотке (дренажная канава между рельсами вдоль путей тоннеля метро). Результаты сильно зашумлены воздушными помехами (измерения производятся фактически в протяжённой нише, окружённой шпалами и бортами лотка) и армированием. Снять можно было только короткий профиль. Рис. 6, а — исходные данные; б — попытка применить ВСЗ; в — разностная радарограмма; г — деконволюированная разностная радарограмма. На рис. 6, в и г стала хорошо просматриваться граница на глубине 15-20 см (цифра

2). Возможно, что здесь сыграло роль не только подавление ПВ, но и подавление воздушных помех, часть из которых слабо меняется вдоль по профилю (отражения от бортов лотка). Радарограммы рис. 6, а-г имеют одинаковую шкалу кодирования уровней амплитуд и дополнительно никак не обработаны.

Рис. 6, д и е это результаты измерения на бетонной подушке станционного технического помещения. Рис. 6, д — исходные данные; е — разностная радарограмма. После вычитания стала хорошо просматриваться граница бетонной подушки и подготовки (цифра

3). Эта граница ранее плохо читалась на фоне ПВ. Можно заметить, что при удалении от точки взятия опорной трассы (цифра 1) обсуждаемая граница просматривается лучше. Возможно, подобную схему можно использовать для оценки свойств конструкций. Армирование в этой конструкции отсутствует.

К сожалению, излагаемая методика имеет и серьёзный недостаток из-за которого применять её стоит достаточно осторожно. Дело в том, что вычитая помеховую радарограмму, особенно если она создана на основе одной опорной трассы вы можете внести в данные выраженную горизонтальную ось синфазности. В том случае если вносимая ось не вычлась из реально существующей в радарограм-ме помеховой оси синфазности, вы получите инвертированную по амплитуде паразитную горизонтальную ось. И можете принять её за реально существующую границу.

На рис. 7 приведён пример подобной ошибки. Рисунок 7, а — разностная радарограмма, на которой просматривается горизонтальная ось синфазности (цифра 1). Её размытость проблемой не является — ось может быть подчёркнута обработкой. Анализируя трассу № 33 (см. рис. 7, б; место расположения этой трассы выделено вертикаль-

53

Рис. 7. Проявление ложных осей сннфазности: а — разностная радаро-грамма; б — трасса № 33; в — помеховая радарограмма. Пояснения см. в тексте

ной линией, обозначенной цифрой 2), можно придти к выводу, что это донное отражение (отражение от обратной поверхности балки). На то, что это именно граница указывает относительная стабильность просматриваемости отражённого импульса (цифра 3) вдоль по длине профиля. Однако, если сравнить разностную радарограмму с поме-ховой (рис. 7, в) можно заметить что в ней присутствует такая же ось синфазности, с той же шириной импульса, на тех же временах (цифра 4). Другими словами, помеховая радарограмма не компенсировала паразитную ось синфазности, а создала её. Можно заметить, что ось «цифра 4» имеет отрицательную амплитуду (белый цвет), а ось «цифра 1» положительную (чёрный цвет) — т.е. это результат вычитания. Дело в том, что трасса для составления помеховой радарограммы была взята не с этой конкретной балки, а с другой, также находящейся в обследуемом помещении. Было принято ошибочное предположение, что материал всех балок примерно одинаков и однажды полученная помеховая радарограмма подойдёт для всех объектов контроля.

54

Очевидно, вычитая радарограммы необходимо выстраивать рядом исходную, разностную и помеховую радарограммы анализируя, что в радарограмме компенсировалось, а что появилось вновь.

В заключении стоит сказать, что некоторое количество проб описываемой методики при опробовании её на грунтах давали в основном негативные результаты, радарограммы становились менее читаемыми. В дополнение к этому обостряется опасность интерпретировать ложную ось синфазности. Причиной этого является нестабильность, неодинаковость формы ПВ вдоль по профилю (см. рис. 3, б).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Набатов В.В., Морозов П.А., Семенихин А.Н. Выявление подземных коммуникаций на площадке строительства с помощью георадаров с резистивно-нагруженными антеннами // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2012. — № 10. — С. 120-134.

2. Harry M. Jol. Ground Penetrating Radar: Theory and Applications. — Elsevier Science, 2009. — 544 pp.

3. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию: Уч. пособие — М.: Издательство МГГУ, 2004. — 153 с.

4. Вудс Р. Цифровая обработка изображений. — М: Техносфера, 2005. — 1072 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Набатов Владимир Вячеславович — кандидат технических наук, доцент кафедры ФТКП, Московский государственный горный университет, nv4@mail.ru

55