CC BY
102
УДК 621.396.96+550.837.8
В.Б.БОЛТИНЦЕВ, канд. техн. наук, зам. ген. директора по НИР, boltintzev@yandex. ru В.Н.ИЛЬЯХИН, главный инженер, [email protected] ЗАО НПФ «Геодизонд», Санкт-Петербург
К.П.БЕЗРОДНЫЙ, д-р техн. наук, зам. ген. директора института по НИР, geolog@geodizond. ru
ОАО НИПИИ <Ленметрогипротранс», Санкт-Петербург
V.B.BOLTINSEV, PhD in eng. sc., assistant general manager, [email protected] V.N.ILYAKHIN, chief engineer, geolog@geodizond. ru BJSC SPF «Geodizond», Saint Petersburg
K.P.BEZRODNYY, PhD in eng. sc., assistant general manager, [email protected] JSC NIPII «Lenmetrogiprotrans», Saint Petersburg
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ ГЕОРАДИОЛОКАЦИЯ: УСПЕХИ И ПРОБЛЕМЫ
Передовой метод сверхширокополосного электромагнитного исследования получил дальнейшее развитие. Он позволяет производить георадиолокационные изыскания в ходе строительства туннелей до глубины 100 м и в специальных случаях еще глубже. Портативное оборудование малой массы (не более 15 кг) используется для подземных радарных измерений. Время измерения сокращено, обработка данных занимает около 3 ч при обследовании глубин в 70 м.
Ключевые слова: сверхширокополосный, дрейфовые диоды с резким восстановлением обратного напряжения, уравнение Винера - Хопфа, георадиолокация.
ULTRA WIDE BAND GPR-METHOD: SUCCESS AND PROBLEMS
An advanced method of ultra-wide band electromagnetic ground penetrating probing has been developed. This method enables the running of geological probing measurements from both the surface of the land and the boring face during construction of tunnels up to a depth of one hundred meters, and in special cases, even deeper. Portable equipment of low weight is used for these underground radar measurements. Total weight is not more 15 kg. Time of geological cut measurement and its data processing is approximately 3 hours for probing depths of about 70 m.
Key words: Ultra Wide band - UWB, Drift Step Recovery Diodes, equation of Wiener -Hope, GPR-method.
Научно-технические основы метода электромагнитного импульсного сверхширокополосного (ЭМИ СШП) зондирования. Современные темпы развития строительства требуют использования эффективно работающих неразрушающих методов. Последние 40 лет для решения задач инженерной геологии все чаще привлекается георадиолокация.
132 _
Существующие модели георадаров различаются типом решаемых задач, видом используемого сигнала, обработкой (способом идентификации) и т.д. Широкое применение нашли системы, использующие сверхширокополосные сигналы, которые можно объединить в две группы: с использованием несущей частоты и видеоимпульсные, без несущей частоты. Каждая из этих групп обла-
дает своими достоинствами и недостатками. Так, использование сигналов без несущей частоты приводит к отказу от традиционной схемы приемного устройства и переходу к информационно-измерительным системам (ИИС), в состав которых обязательно входит компьютер, а использование частотно-и фазоманипулированных (шумоподобных) сигналов с временным сканированием по частоте и корреляционной обработкой требует применения генератора со скачкообразной фиксированной перестройкой частоты (фазы). Временная селекция достигается применением модулирующих частоту сигналов с автокорреляционной функцией типа 5-функции Дирака.
В первом случае различают две группы ИИС: Penetration Radar System (PRS), или Ground Penetration Radar (GPR) - системы со слабым током; сильноточные - ИИС ЭМИ СШП-зондирования.
Выбор излучаемых импульсов, для которых характерны напряжения не более 300 В, токи в излучающей антенне не более 1 А, приводит к применению ИИС типа PRS, или аналогичных им GPR, включающих ненаправленные антенны типа диполь Герца и приемник, реализующий схему прямого детектирования Маркони с амплитудой входного сигнала не более 1 В.
Использование импульсов с амплитудой до 104 В, токами около 100 А приводит к созданию сверхширокополосных ИИС с большим динамическим диапазоном входного сигнала (от 1 мВ до 100 В) и микропо-лосковыми антеннами, в которых становится возможным согласование со средой по волновому сопротивлению.
К первой группе относятся георадары SIR, RAMAC, «Subecho»; системы «Road Scan», изучающие структуру и дефекты дорожного покрытия; системы GSSI, изучающие дефекты в бетоне обделок тоннелей; системы «Bridge Scan», изучающие структуры и дефекты мостовых перекрытий, и аналогичные им системы в России (ТР-ГЕО, ЭКО, ОКО, ГРОТ, ЗОНД, георадары фирмы «ЛОГИС»).
В данной работе реализована схема зондирования без несущей частоты с большим
током - схема ЭМИ СШП-георадиолокации. Схема имеет следующие особенности:
• широкая полоса частот (0-500 МГц), малая длительность излучаемого импульса (менее 1 нс) и большой динамический диапазон (около 117 дБ) обеспечивают высокую разрешающую способность по глубине и точность измерения расстояния до объекта обследования, что способствует выделению объекта из фоновых помех;
• узкая диаграмма направленности антенной системы (примерно7° в ^-плоскости и 11° в ^-плоскости) дает возможность получать информацию не только об объекте в целом, но и о его элементах.
Указанные значения определены метрологически. Стоимость аппаратных средств, безопасность эксплуатации, малые размеры и масса аппаратуры делают данный метод достаточно доступным по критерию цена -качество.
Выбор сильно- или слаботочной схемы генерации излучаемых сигналов определяет и технические особенности георадара: схему согласования антенн с подстилающей средой, применяемый вид (системотехнику) построения приемо-регистрирующей аппаратуры, протокол обмена аппаратуры с компьютером, и особенности, используемые при идентификации. Так, GPR или PRS используют электродинамические свойства объекта, а при идентификации результатов ЭМИ СШП-зондирования помимо электродинамических свойств объекта используются электрофизические.
Аналогичные системы в России - ЛОЗА (генераторный элемент - слайсер) и георадар Томского университета (генератор на базе GaAs).
Экспериментально установлено, что структура сигналов ЭМИ СШП-зондирования существенно отличается от традиционных моделей модулированных квазимонохроматических сигналов с гауссовской огибающей (рис.1) [2]:
• распределение поля (напряженность) излученного видеоимпульса в раскрыве передающей антенны представляет собой дифференциал от формы импульса;
_ 133
Санкт-Петербург. 2011
m
Г
<
-10
О 100 200 300 400 500 600 700 Время, нс
Рис. 1. Отраженный сигнал, принятый антенной дециметрового диапазона
• передний и задний фронты излучаемого видеоимпульса несимметричны;
• расстояния между точками пересечения нуля огибающей принимаемого сигнала не равны между собой;
• частотный спектр отраженного сигнала дискретен независимо от полосы приемника.
Метод позволяет производить георадиолокационные изыскания через лед, воду, чугунные и железобетонные тюбинги тоннелей и способен дифференцировать геологические разности до глубин 60-70 м, при этом погрешность определения положения инженерно-геологических элементов, в частности для буронабивных свай КАД Санкт-Петербурга, составила менее 1,5 % от истинной глубины залегания.
Увеличение глубины проникновения полезного сигнала в подстилающую среду и высокая точность измерений отраженного сигнала определяются следующими факторами:
• применением генераторов, излучающих сигналы большой амплитуды со стабильными параметрами [1];
• созданием многоканальной информационно-измерительной системы приема ЭМИ СШП-сигналов большой амплитуды;
• реализацией схемы согласования приемных и передающих антенн с подстилающей средой по волновому сопротивлению [3];
134 _
• методами обработки измерений, учитывающих данные метрологического обеспечения измерительных возможностей комплекса.
Современные способы литологического расчленения подстилающей среды базируются на двух методах: построении годографа и его модификациях (синфазность и т.д.) и моделировании волнового поля. Основные приемы анализа и преобразования сигналов по данным GPR (PRS) для выделения полезных волн на фоне помех и шума приемника и улучшения отображения особенностей реального разреза на радарограмме включают последовательно коррекцию сигнала, его фильтрацию и повышение разрешающей способности. Из методов моделирования наиболее широко применяют метод конечных разностей во временной области и поглощающих граничных условий в виде конечно-разностной схемы Мура второго рода (FDTD).
В методике идентификации образов для ЭМИ СШП-зондирования при решении обратной задачи использовано уравнение Винера - Хопфа, Применение методов его решения позволило упростить задачу обнаружения пространственной неоднородности слоя и создать методику извлечения информации из результатов измерений в одной точке, что заметно расширило возможности инженерно-геологических изысканий [2].
Комплекс, реализующий метод ЭМИ СШП-зондирования, включает:
• излучающий генератор, изготовленный по технологии дрейфовых диодов с резким восстановлением обратного напряжения (ДДРВ). Фронты импульсов 0,5; 1 и 3 нс при длительности 10 нс; пиковая амплитуда импульса 6,3 кВ. Перечисленные характеристики генератора прецизионно измерены в полосе частот 0-20 ГГц;
• метрологически аттестованные в полосе частот 80-1250 МГц приемные и передающие антенны, для которых согласование со средой определяется за счет реализации так называемой ямы Брюстера для микропо-лосковых и рупорных антенн. Это позволяет получить коэффициент прохождения волны 0,6 (коэффициент стоячей волны по напря-
0
5
■ 1 ■ 2 ■ 3 |4 ГД 5
Рис.2. Инженерно-геологический план Северо-Муйского тоннеля в районе вывала с положением
точек ЭМИ СШП-зондирования
1 - разрушенные породы; 2 - тектонические нарушения (предполагаемые); 3 - воронка вывала; 4 - зоны разуплотнения пород; 5 - интервалы обильного водонасыщения пород
жению, измеренный относительно сухого бетона, меньше 3,05 в указанном диапазоне частот). Измеренные относительно двухслойной среды диаграммы направленности антенн в Е- и ^-плоскостях позволяют говорить об их «игольчатой» направленности;
• приемное устройство в виде ИИС со стробоскопическим преобразованием сигнала в реальном масштабе времени, обладающее высокой помехозащищенностью и обеспечивающее запись принимаемых сигналов в полевых условиях.
Весь комплекс полевой аппаратуры питается от постоянного напряжения 12 В. Суммарная потребляемая мощность не более 150 Вт. Масса комплекса не превышает 15 кг.
Процесс измерения в одной точке зондирования занимает несколько секунд. В результате измерения в одном пункте дневной поверхности можно построить инженерно-геологическую колонку конкретного пункта наблюдения. Для получения протяженного разреза необходимо произвести несколько измерений с определенным расстоянием между точками на линии данного разреза.
Записанный отраженный сигнал подвергается математической обработке с помощью программы, предназначенной для решения обратной задачи методом Винера -Хопфа. После интерпретации геофизических данных выполняется построение инженерно-геологического разреза.
Существенное ускорение и повышение точности обеспечивается за счет материалов хотя бы одной калибровочной скважины, пробуренной на исследуемом объекте. Это позволяет откалибровать комплекс в соответствии с инженерно-геологическими разностями, слагающими разрез данного объекта.
Рассмотрим применение метода ЭМИ СШП-зондирования на примерах.
Железнодорожные тоннели. В сентябре 1999 г. методом ЭМИ СШП-зонди-рования был обследован участок Северо-Муйского железнодорожного тоннеля с целью определения границ произошедшего в подземных выработках вывала водонасы-щенных, дезинтегрированных до песка и глины горных пород.
Исследования были выполнены через обделку из чугунных тюбингов. Для решения задачи предварительно была проведена
_ 135
серия экспериментов на станции метрополитена «Площадь Мужества». По их результатам был оценен энергетический потенциал комплекса при работе на просвет через чугунную обделку.
Измерения в Северо-Муйском тоннеле выполнялись из сопутствующих выработок, находящихся в непосредственной близости
Масштаб горизонтальный 1:200, _ вертикальный 1: 200
H, м
о°о°<я
О о 0°О
ш
Рис.3. Геолого-геофизический разрез по линии профиля ПР1 на участке проектируемого мостового перехода через р.Вуокса в районе ст.Каменногорск: а и б - графики математической функции отраженного сигнала соответственно в точках зондирования Т6 и Т5
1 - песок насыпной; 2 - песок пылеватый и мелкий; 3 - песок от среднего до гравелистого с гравием и галькой до 15-20 %; 4 - включения гравия и гальки в песке, процентное содержание в слое; 5 - суглинок; 6 - геологические границы
от свода тоннеля на участке, где произошел вывал (рис.2). Одновременно с этим проводились измерения в своде для определения геологической и гидрологической ситуации над горными выработками на участке, где в бетонной обделке тоннеля наблюдалось развитие трещин (по данным точек зондирования Т2, Т3 и Т4 от ПК 16+27). Глубина зондирования до 70 м.
Результаты исследований следующие:
• выявлена нижняя оконечность области интенсивно нарушенных пород, которая была отнесена к «воронке» вывала;
• установлен один из основных факторов, повлиявших на образование трещин в обделке тоннеля, - существование непосредственно над тоннелем локального сопряжения двух мощных, протяженных разрывных нарушений (по данным точек зондирования Т7, Т8 от ПК 16+27).
Мостовые переходы. В сентябре 2004 г. были проведены инженерно-геофизические изыскания с помощью метода ЭМИ СШП-зондирования на объекте «Комплексное строительство двухпутного участка железнодорожной линии Выборг - Ка-менногорск» (рис.3).
По результатам ЭМИ СШП-зондирова-ния и на основании имеющихся буровых данных были выделены и прослежены следующие элементы: пески различной зернистости, обломочные породы и суглинки. Таким образом, по итогам проведенных геофизических работ было составлено графическое представление о геолого-литологическом строении разреза участка до глубины 40 м, необходимое для утверждения проекта трассы мостового перехода через р.Вуокса.
С точки зрения современных международных норм и стандартов проблемными в георадиолокации остаются вопросы метрологического обеспечения. Для их решения необходимо ввести как термин определение метрологии георадиолокации подповерхностного пространства, которая должна включать следующие группы требований:
1) к аппаратуре
• разработка стандартов георадиолокационного обследования, включающих нормативы измерения коэффициента стоячей
а
1
2
3
4
5
6
волны по напряжению и для АЧХ передающих и приемных антенн, определенных подстилающих сред (бетон, мерзлый грунт, пресная вода, морская вода, различные виды дорожного покрытия и т.д.);
• обязательная метрологическая аттестация приемных и передающих антенн подповерхностного зондирования в Е- и Н-плоскостях;
• определение разрешающей способности георадиолокатора по глубине исходя из полосы приемного устройства;
• оценка влияния так называемых промышленных помех;
2) к навигационному обеспечению: определение необходимого числа навигационных параметров (широта; долгота; время; число спутников, задействованных при обсервации) и навигационных приемников и необходимой базы между ними;
3) к информационному пространству: создание единого общедоступного портала данных георадиолокационного обследования по объектам и стандартизация алгоритмов перехода от времени к пространству.
Решение этих вопросов открывает ЭМИ СШП-измерениям доступ к получению информации о подповерхностных структурах в условиях интенсивного градостроительства. Это корректный и перспективный путь
дальнейшего развития электроразведочных методов, связанных с георадиолокацией.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мощный полупроводниковый генератор нано-секундных импульсов / И.В.Грехов, В.М.Ефанов, А.Ф.Кардо-Сысоев, С.В.Шендерей // Приборы и техника эксперимента. 1986. № 1. С.93-94.
2. Применение метода электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования при инженерно-геологических изысканиях / В.Б.Болтинцев, В.Н.Ильяхин, А.А.Черемисин, К.П.Безродный, С.Я.Нагорный // Инженерная геология. 2006. № 2. С.72-76.
3. Свидетельство на полезную модель № 28289. Российская Федерация. 7 Н 01 Q 7/00. Антенна для подповерхностного зондирования / В.Б.Болтинцев; заявитель и патентообладатель ЗАО НПФ «Геодизонд». № 2002126446/20; заявл. 07.10.02; опубл. 10.03.03. Бюл. № 7.
REFERENCES
1. Grehov I.V., Efanov V.M., Kardo-Sysoev A.F., Shenderey S. V. Powerful the semi-conductor generator nanoseconds impulses // Devices and technics of experiment. 1986. N 1. P.93-94.
2. Boltintsev V.B., Iljahin V.N, Cheremisin A.A, Bez-rodniy K.P., Nagorniy S.J. Application of a method of electromagnetic pulse superbroadband sounding at engineering-geological researches // Engineering geology. 2006. N 2. P.72-76.
3. The certificate on useful model 28289. The Russian Federation 7 H 01 Q 7/00. The aerial for underground sounding / V.B.Boltintsev; the applicant and the owner of the patent Joint-Stock Company NPF Geodizond. 2002126446/20; it is declared 07.10.02; publ. 10.03.03. Bul. N 7.
