Секрет эффективного георадара

Что такое георадар и где он применяется?

Георадар применяют при поиске заглубленных в земле объектов в интересах археологии, строительства и тд. Георадар – как правило, единственный инструмент, который можно применить в следующих случаях:

• Необходимо обнаружить неметаллические объекты (старые фундаменты, нарушения целостности слоя земли, захоронения людей и тд);

• Необходимо обнаружить заглубленные металлические объекты, когда на поверхности земли присутствуют другие металлические объекты. Традиционные инструменты вроде металлоискателей или магнитометров оказываются бесполезными, поскольку поверхностный металл создает помехи, которые георадар может отфильтровать;

• Необходимо при обнаружении объекта иметь оценку глубины.

Технически, на георадар возлагаются две основные задачи. Первая задача георадара состоит в том, чтобы направить электромагнитное излучение вглубь земли. Для этого в георадаре имеются передатчик для формирования сигнала на передачу и антенна – для излучения электромагнитных волн в землю. Далее, распространяясь в земле, такие электромагнитные волны встречают неоднородности (камни, трубы коммуникаций, воду и тд). Неоднородностями принято обозначать объекты, отличающиеся от земли по величине диэлектрической проницаемости. Встречая на своем пути неоднородности, часть мощности сигнала переотражается в сторону георадара, часть проходит далее – вглубь (рис. 1).

Вторая задача георадара состоит в измерении времени, которое затратил сигнал с момента излучения до момента приема. Георадар не измеряет глубину или расстояние до объекта, измеряет только время. Зная время и скорость распространения сигнала (в корень из диэлектрической проницаемости раз меньше скорости света в вакууме) исследуемой среды, можно выразить глубину. При перемещении георадара (сканировании) по поверхности земли, на монитор выводится профиль (совокупность отраженных и обработанных сигналов). На видео ниже показано, что пользователь георадара видит в реальном времени (на примере нашего георадара Izh-Terra-2).

Как интерпретировать такие данные? Для понимания радарограмм можно обратиться к специализированной литературе, например, к книге А.В. Старовойтова "Интерпретация георадиолокационных данных".

Стоит отметить, что далее в настоящей статье речь пойдет о сверхширокополосных радарах (с полосой сигнала около 1 ГГц) с непрерывным сигналом. Основная задача таких радаров – осуществлять зондирование верхнего слоя земли (до 10-20 метров), но с максимально возможным разрешением.

Эффективность георадара. В теории георадиолокации принято, что глубина зондирования и разрешающая способность связаны обратной зависимостью: чем больше глубина зондирования, тем хуже разрешающая способность и наоборот. Можно ли каким-то способом увеличить глубину зондирования и при этом не ухудшить разрешающую способность? Можно! Такой георадар будет более эффективным по сравнению с аналогами.

Таким образом, под эффективностью будем понимать качественную характеристику, связывающую глубину и разрешающую способность. Георадар считаем эффективным, если его глубина обнаружения выше, чем у аналогов, но разрешающая способность по глубине – не хуже.

Исходя из теории радиолокации, можно утверждать, что основными факторами, определяющими глубину зондирования, будут:

• Частотные харатеристики георадара: чем более низкочастотные компоненты присутствуют в спектре сигнала (при согласованной антенне), тем более глубинным будет георадар.

• Мощность передатчика: чем выше мощность, тем больше глубина.

Другие второстепенные факторы можно не рассматривать, поскольку считаем, что георадар представляет собой технически корректно спроектированное устройство: имеет минимальный коэффициент шума приемника, минимальные фазовые шумы передатчика, антенны согласованы во всем частотном диапазоне, для случая ЛЧМ частота меняется с максимальной линейностью, выполнен баланс между КПД антенн и их добротностью и т.д.

Указанные факторы (частотные характеристики и мощность) определяются размерами георадара:

• низкие частоты в спектре требуют увеличенных размеров антенн. Специальные методы уменьшения габаритов антенн (удлиняющие индуктивности, диэлектрические антенны, антенны типа спиралей Архимеда) неприменимы для широкополосных антенн георадара.

• мощность передатчика ограничена величиной развязки между передающей и приемной антеннами (долей излучения, которое проходит между антеннами напрямую), которая прежде всего определяется расстоянием между антеннами.

Таким образом можно сформулировать основную особенность эффективного георадара: косвенный признак эффективного георадара – увеличенные физические размеры. Другими словами: не бывает эффективных георадаров малых габаритов – физика не позволяет.

Эффективность на примере георадаров нашей разработки. Ниже, на рисунке 2 и таблице 1, представлена линейка наших георадаров: Izh-Terra-1, Izh-Terra-2, Гном-3. Цифры в индексе -1, -2, -3 означают количество антенн:

• Izh-Terra-1 содержит одну приемопередающую антенну,

• Izh-Terra-2 – георадар классической схемы - содержит одну передающую и одну приемную антенны,

• Гном-3 – двухканальный (на прием) георадар - содержит одну передающую и две приемные антенны.

  Размер каждой антенны составляет 0.6х0,6 м, так что по мере добавления новых антенн размер устройства увеличивается соответственно.

Сравнение георадаров Izh-Terra-1 и Izh-Terra-2. Основное отличие – в количестве антенн (1 и 2 соответственно).

Ключевой параметр, определяющий функционал георадара в этом случае – развязка между антеннами (другими словами, доля излучения, попадаемого напрямую из передающей антенны в приемную). В георадаре Izh-Terra-2 развязка между передающей и приемной антеннами составляет около минус 30 дБ (здесь и далее приводятся средние значения для всего частотного диапазона). В георадаре Izh-Terra-1 содержится только одна антенна, поэтому под развязкой в этом случае понимается параметр S11, который для большинства антенн составляет минус 10 дБ. Разница в развязке в 20 дБ приводит к тому, что мощность передатчика (или динамический диапазон) Izh-Terra-2 больше на 20 дБ мощности Izh-Terra-1.

На практике разница в мощности в 20 дБ приводит к следующим результатам. Съемка проводилась двумя радарами на одном и том же участке.

Из рисунков 5, 6 очевидно, что георадар Izh-Terra-2 в три раза (оценочно) эффективнее Izh-Terra-1. Стоит отметить, что на радарограммах отсутствуют мощные отражения (от металлов, воды и тд), а присутствуют слабоконтрастные отражения от косослоистых отложений.

Резюмируя вышеприведенное, в георадаре Izh-Terra-2 увеличена (по сравнению с Izh-Terra-1) развязка между приемником и передатчиком на 20 дБ, что позволило увеличить мощность передатчика на 20 дБ, что привело к увеличению глубины на тестовом полигоне в 3 раза без ухудшения разрешающей способности.

Здесь важно обратить внимание на следующий момент, определяющий возможности дальнейшего развития линейки георадаров. Можно ли увеличивать расстояние между передающей и приемной антеннами (снижая развязку) и одновременно увеличивать мощность передатчика, повышая глубинность/эффективность? Можно, но обнаружение малоглубинных целей будет ухудшаться. Выходом из этой ситуации может быть использование многоканальности.

Основная идея использования многоканального георадара состоит в следующем: георадар изготавливается в виде линейки антенн, одна из которых передающая, остальные – приемные. Приемные антенны отстоят от передающей на разном расстоянии (с разной развязкой). Сигнал на приемных антеннах, расположенных ближе к передатчику, огранивается аттенюатором.

Такое решение привело к разработке георадара с тремя антеннами, который получил название Гном-3. Такая схема позволила увеличить мощность передатчика на 15 дБ – до 300 мВт.

Сравнение георадаров Izh-Terra-2 и Гном-3. Основное отличие георадаров – в количестве антенн (2 и 3 соответственно).

В Гном-3 одна из антенн – передающая, на входе одной из приемных антенн установлен постоянный аттенюатор 15 дБ. Практически, это привело к результату, которые можно видеть на рисунках ниже.

Эти же радарограммы (рис. 8, 9) в пространстве.

Сравнение результатов съемки Izh-Terra-2 и Гном-3 в реальном времени без обработки приведено на видео ниже.

Заключение. В статье как теоретически, так и практически показано, что требования эффективности и требования по габаритным размерам, предъявляемые при разработке георадара, являются взаимозависимыми.

Практически показано, что увеличение размеров георадара 2 раза (Izh-Terra-1 —> Izh-Terra-2) позволило увеличить динамический диапазон на 20 дБ, что дало практический прирост глубины на тестовом полигоне в 2-3 раза. Увеличение размеров в 1,5 раза (Izh-Terra-2 —> Гном-3) привело к увеличению динамического диапазона на 15 дБ, что дало прирост глубины в 1.5 раза. При этом размеры изменялись лишь вдоль одного направления. В следующей статье покажу, как могут измениться характеристики георадара, если размеры увеличивать в других направлениях – речь пойдет о новом трехканальном приборе Гном-4.

PS. Все приведенные в настоящей работе радарограммы, а также программы анализа, можно скачать на нашем сайте izhterra.ru.