CC BY
95
УДК 550.8:902 Дмитриев Алексей Александрович,
ст. преподаватель кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем,
НИИрГТУ, тел. 8(3952)40-51-29, dmtaa77@gmail.com
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОРАДАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ РЕШЕНИИАРХЕОЛОГИЧЕСКИХЗАДАЧ
A.A. Dmitriev
GEORADAR TECHNOLOGY APPLICATION IN SOLVING ARCHEOLOGICAL PROBLEMS
Аннотация. В статье рассмотрена технология использования георадара при проведении предварительных площадных изысканий для археологических раскопок.
Ключевые слова: георадар, радиоволна, геологический разрез, антенна, радарограмма, помеха.
Abstract. The article describesthe useof GPRtechnology during the preliminary survey of area for archeological excavations.
Keywords: ground penetrating radar, radio waves,geological cross-section, antenna, Radaro-gram, hindrance.
Введение
Использование метода георадиолокационного (георадарного) зондирования является одним из наиболее перспективных и динамичных направлений развития геофизических исследований. Основными преимуществами метода являются высокая разрешающая способность, помехоустойчивость по отношению к искажающим сигналам, а также оперативность и экономичность.
Кроме того, георадарное зондирование требует минимума пространства для развертывания необходимой аппаратуры, что зачастую является существенным преимуществом при его использовании в условиях плотной городской и промышленной застройки.
Метод георадарного зондирования даёт возможность детально исследовать подповерхностную структуру грунтов или техногенных конструкций, существенно уменьшая расходы на бурение контрольно-измерительных скважин.
Все задачи, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две большие группы с характерными для каждой группы методиками исследований, способами обработки, типами отражения объектов исследования в поле электромагнитных волн и представлениями результата [1].
1. Геологические и гидрогеологические задачи:
• картирование геологических структур - восстановление геометрии относительно протяжённых
границ, поверхности коренных пород под рыхлыми осадочными отложениями, уровня грунтовых вод, границ между слоями с различной степенью водонасыщения, поиск месторождений строительных материалов;
• определение свойств различных отложений по скорости распространения электромагнитных волн, опираясь на связь этих свойств с диэлектрической проницаемостью и электропроводимостью пород;
• определение толщины ледяного покрова;
• определение толщины водного слоя и картирование поддонных отложений;
• определение толщины зоны сезонного промерзания, оконтуривание областей вечной мерзлоты, таликов.
2. Поиск локальных объектов, обследование инженерных сооружений, нарушения штатной ситуации:
• трубопроводов;
• кабелей;
• участков геологического разреза с нарушенным естественным залеганием грунта - рекультивированных земель, засыпанных выемок;
• погребенных отходов и захоронений;
• подземных выработок, подвалов, карстовых и суффозионных провалов;
• границ распространения углеводородных загрязнений;
• поиск скрытых нарушений в стенах наземных сооружений, шахт, тоннелей, в опорах и перекрытиях;
• поиск нарушений, возникших в процессе строительства или в процессе эксплуатации в конструкции автомобильных и железных дорог, взлётно-посадочных полос аэродромов, и т. д.
Цель работы
Применить георадарный метод при археологических раскопках с целью существенного снижения объема земляных работ. Перед исследователями ставился целый ряд задач:
1. Определение мест захоронений или наиболее вероятных мест захоронений.
2. Определение глубины захоронений.
3. Определение формы захоронений.
4. Определение размеров захоронений.
До проведения данной работы был получен ряд положительных результатов применения георадарной технологии при обследовании Байкальского и Северо-Муйского железнодорожных тоннелей, железнодорожных насыпей, автодорог, взлетно-посадочной полосы аэропорта г. Иркутска. Однако весь предыдущий опыт был накоплен на искусственных сооружениях, здесь же пришлось исследовать естественный геологический разрез. Это обстоятельство существенно осложнило работу, поскольку пришлось менять подход к обработке исходной информации [5].
Принцип действия георадара
Работа георадара основана на свойстве радиоволн отражаться от границ раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью и электропроводностью. В отличие от классической радиолокации, в георадаре радиоимпульсы излучаются не в воздушное пространство, а в материальные среды с большим затуханием радиоволн. Широко используемые в обычной радиолокации радиоимпульсы (с несущей частотой от 5 ГГц и выше) и методы их обработки непригодны для подповерхностного зондирования, т. к. из-за большой величины затухания в среде не обеспечивают заданной глубины зондирования и не удовлетворяют требованиям к разрешающей способности по глубине (из-за большой длительности радио импульса). Поэтому в георадарах применяются широкополосные сигналы, образованные импульсами СВЧ-сигнала, состоящими лишь из одного или двух периодов высокочастотных колебаний [1-3].
Для формирования импульсов малой длительности используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжения с очень короткими фронтами (так называемый ударный метод возбуждения). Выбор длительности импульса является компромиссом между необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью георадара - чем короче импульс, тем выше разрешающая способность, но меньше глубина зондирования.
Существующие георадары, построенные по этому принципу, работают обычно в диапазоне 10^2000 МГц, при этом длительность зондирующего импульса составляет 0,5^10 нс. Такие сигналы имеют широкий спектр, и для их обработки требуются широкополосные приемники с полосой 5^3000 МГц. Прямая обработка импульсов такой малой длительности достаточно сложна. Поэтому для упрощения технических решений, обеспечивающих прием и об-
работку широкополосных сигналов, используется стробоскопическое преобразование, в процессе которого временной интервал принимаемой реализации разбивается на необходимое количество точек, в каждой из которых значение сигнала фиксируется в одном периоде зондирования. При этом короткий широкополосный сигнал, поступающий на вход приемника, преобразуется в длительный сигнал низкочастотного диапазона, обработка и отображение которого не представляют технических трудностей [6].
Передающая антенна георадара излучает электромагнитные импульсы, которые для получения высокой разрешающей способности имеют очень малую длительность (единицы и доли наносекунды) и достаточно широкий спектр излучения.
Излученный передающей антенной в исследуемую среду электромагнитный импульс отражается от находящихся в ней предметов (как металлических, так и неметаллических) или любых неоднородностей, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или электропроводность. Такими неоднородностями могут быть пустоты, границы раздела слоев различных пород, участки с различной влажностью и т. д.
Отраженный сигнал принимается приемной антенной, преобразуется в цифровой вид и запоминается для дальнейшей обработки. При перемещении георадара по поверхности исследуемой среды на экран монитора оператора выводится совокупность сигналов (радарограмма, или профиль), по которому можно определить местонахождение, глубину залегания и протяженность объектов (рис. 1).
георадар
Рис. 1. Георадиолокационное зондирование
Группа процедур математической обработки сигналов включает следующие виды обработки данных [4]:
• алгоритм автоматического выравнивания сигнала;
• определение сигнала прямого прохождения и его компенсация;
• цветовое кодирование сигналов в профиле;
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
• усреднение и выделение контуров;
• выделение огибающей;
• вычисление преобразования Гильберта;
• метод синтезированной апертуры;
• обратная фильтрация;
• медиальная фильтрация;
• удаление тренда;
• вычитание с окном.
Математическая обработка сигналов необходима для более качественной визуализации исходного материала и правильной его интерпретации. При проведении георадарного зондирования на полезный сигнал действует аддитивно и мультипликативно ряд мешающих факторов, поэтому получаемый сигнал имеет большую зашумленность. Для увеличения отношения сигнал/шум используют ряд математических операторов, причем для каждого конкретного случая применяется определенный алгоритм обработки [2].
Результаты площадного георадарного зондирования
В июле 2007 г. проведены детальные георадарные исследования четырех участков восточной части древнего могильника «Фофаново», примыкающих к участкам предыдущих раскопок (рис. 2). Участки были намечены археологической группой. Общая площадь участков составила 1700 м2.
Участки размечались согласно предполагаемому положению захоронений. Георадарные про-
фили в основном ориентировались в меридиональном направлении через 1 метр. Общая длина георадарных профилей составила 1800 м.
В площадной георадарной съемке, как правило, участвовали 3 человека: оператор, секретарь и фотограф (рис. 3). Для получения высокой разрешающей способности георадара задача заключалась в правильном выборе антенны. Из набора трех антенных блоков АБ-1700, АБ-700, АБ-250 с центральными частотами 1700, 700, 250 МГц соответственно.
Поэтому участок 1 был пробным. На нем были проведены работы всеми имеющимися антеннами. На рис. 4-6 приведены фрагменты профилей для различных антенных блоков. Для суглинистого грунта исследуемой территории глубина зондирования составляет 0,3-0,5 м для АБ-1700, 1,5-2 м - для АБ-700 и 5-10 м - для АБ-250.
Исходя из ожидаемой глубины нахождения захоронений в качестве основной антенны был выбран блок АБ-700. Более высокочастотный блок АБ-1700 в данных условиях обладает недостаточной глубинностью 0,3-0,5 м, причем помехоустойчивость георадара с данной антенны была наиболее низкой. Опробование низкочастотного блока АБ-250 показало недостаточную разрешающую способность, хорошо выделялись лишь элементы глубинного (5-10 м) строения Фофанов-ского склона, из-за большой длинны волны данная антенна не позволяла обнаруживать элементы мелкого размера, порядка 50-70 см.
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
Рис. 3. Георадарное профилирование с антенным блоком АБ-250
Рис. 4. Радарограмма антенного блока АБ-250
Рис. 5. Радарограмма антенного блока АБ-700
Вторая важная методическая задача состояла в выявлении особенностей и характера мешающих факторов (помех) на радарограммах, которые могут затруднить или привести к пропуску объекта поиска (захоронения). Мешающие факторы на радарограммах можно разделить на воздушные и подземные. Воздушные помехи от деревьев легко распознаются благодаря характерному виду (гипербола), но из-за своей интенсивности они могут привести к пропуску искомого объекта - захоронения, если сигнал от него обладает гораздо меньшей интенсивностью. Подземные помехи в основном являются отражениями от корней деревьев (рис. 7, 8). В условиях неизвестного вида отображения захоронения на рада-рограмме они могут быть приняты за искомый объект.
Масштаб: осрт. 1:30: гор. 1:80 (40854388)
Рис. 7. Помеха от корней деревьев на радарограмме
Рис. 6. Радарограмма антенного блока АБ-1700
Рис. 8. Корни деревьев - ложный объект при георадарном зондировании
На основе определения наиболее вероятных мест захоронений удалось наметить на местности места для проведения раскопочных работ. В результате тщательного анализа радарограмм была выбрана площадка на участке 1 для проверки раскопками (рис. 2). На ожидаемой из радарограммы глубине в намеченном месте было обнаружено захоронение (рис. 9).
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
^ ., А*."1 V*
мм •
I ящыш• \
Рис. 9. Захоронение древнего «Китойского» человека, возраст - около 6000 лет
Заключение
Положительный результат раскопок позволил выявить георадарный образ захоронения данного типа. Захоронение характеризуется более уплотненным вмещающим его суглинком и наличием охры. Несмотря на небольшую глубину залегания, из-за сильного затухания электромагнитного сигнала в суглинистом грунте объект на радарограмме малоконтрастен (рис. 10, 11), хотя и прослеживается в том же месте на соседних профилях.
После проведения обработки нам удалось показать георадарный образ в более четком виде (рис. 11).
Теперь, зная георадарный образ захоронения, можно обнаружить на радарограммах аналогичные. Такие объекты найдены только на участке 1 на профилях 2, 4 и 10. Этот участок считался неперспективным. Он примыкает с запада к участку раскопок 1996 г., пройденного канавами и не давшего положительного результата.
Рис. 11. Фрагмент обработанной радарограммы профиля 2 участка 1.Стрелка указывает на захоронение
Автор выражает благодарность д. ф.-м. н., проф. Ю.Б. Башкуеву, к. ф-м. н. В.Б. Хаптанову и к. ф-м. н. М.Г. Дембелову, принимавшим участие в полевых работах и интерпретации результатов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Владов Владов М. Л., Старовойтов А. В. Введение в георадиолокацию : учеб. пособие. - М. : Изд-во МГУ, 2004. - 25 с.
2. Финкельштейн М. И., Кутев В. А., Золотарев В. П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. - М. : Недра, 1986. - 128 с.
3. Радиотехнический прибор подповерхностного зондирования (георадар) «ОКО» : инструкция по эксплуатации, техническое описание. Версия 2.1. - Жуковский : Логические Системы, 2006. - 97 с.
4. Программа управления ГеоРадаром «ОКО» и визуализации получаемых данных : иллюстрированное руководство пользователя. - Жуковский : Логические Системы, 2004. - 86 с.
5. Зондирование природных сред георадарным и радиоимпедансным методами / Башкуев Ю. Б., Дмитриев А. А., Дембелов М. Г., Хаптанов В. Б. // Акустические и радиолокационные методы измерений и обработки информации : Труды II междунар. конф. - Суздаль, 2007. - С. 133-138.
6. Дмитриев А. А. Георадарное обследование площадки, прилегающей к Спасской церкви в г. Иркутске // Инженерная и рудная геофизика-2007 : Третья междунар. конф. - Геленджик, 2007. - С. 123-124.
Рис. 10. Фрагмент необработанной радарограммы профиля 2 участка 1
