eng
Выпуск #2/1998
Ю.Виноградов, В.Котенков, В.Лисицын, О. Пустырев.
Радиолокация земной среды и инженерных сооружений
Радиолокация земной среды и инженерных сооружений
Просмотры: 2835
Информация о структуре верхних слоев земной поверхности и находящихся в них объектах чрезвычайно важна для обеспечения безопасности в промышленном и жилом строительстве, на транспорте, при решении экологических задач. Один из наиболее высокопроизводительных, информативных и точных методов ее получения — радиолокационный. В разработке эффективных средств исследований в этой области — георадиолокаторов — значительных успехов добились специалисты НПП ЛОКАС, Всероссийского НИИ радиотехники и Правдинского завода радиорелейной аппаратуры. Созданные ими антенные системы награждены дипломами и золотой медалью Всемирного салона изобретений “Брюссель—Эврика”.
Суть георадиолокации — в периодическом облучении исследуемой среды электромагнитными волнами, приеме и анализе отраженных от неоднородностей этой среды волн. Как правило, длительность излучаемых электромагнитных волн мала (несколько единиц или десятков наносекунд). В сравнении с другими известными методами электроразведки, радиолокационный характеризуется высокой разрешающей способностью, что позволяет выявлять природные локальные неоднородности и техногенные объекты (коммуникации, археологические и скрытые объекты, подкопы и т.п.).
Важный параметр, определяющий компромисс между достижимой глубиной зондирования и разрешающей способностью по глубине, — диапазон частот излучаемого сигнала. Рабочие частоты современных георадиолокаторов (ГРЛ) находятся в диапазоне 1—2000 МГц, а отношение разности и суммы граничных частот спектра излучаемого ГРЛ-сигнала превышает 0,85. Поэтому формировать, излучать и обрабатывать сверхширокополосные сигналы необходимо без несущей, что существенно отличает ГРЛ от традиционных радиолокаторов. Еще одно его отличие от традиционной радиолокации, рассчитанной на излучение сигнала в сравнительно однородную воздушную атмосферу, состоит в том, что для георадиолокационной технологии характерно значительное затухание радиоволн в исследуемых средах, а также электрофизическая неоднородность и дисперсионность характеристик этих сред. Таким образом, объектами зондирования в этом случае являются не только искомые предметы, находящиеся в среде, но и сама среда.
В связи с жесткими условиями работы ГРЛ должны нормально функционировать при температуре -30...+50оС, обладать вибростойкостью при ускорении до 5g и ударопрочностью до 20g, высокой надежностью, низким электропотреблением, малыми габаритами и т.п., обеспечивая стабильные параметры при излучении сигналов с амплитудой до нескольких сотен вольт и длительностью от 1 до 24 нс. Кроме того, от георадиолокационной системы требуется уверенный прием, регистрация, обработка и отображение информации. ГРЛ, отвечающие таким требованиям, представляют собой эффективное средство получения информации о структурной неоднородности исследуемой среды. Не случайно в последнее время интерес к системам такого типа быстро растет [1—6].
Всеми перечисленными достоинствами обладают подготавливаемые к производству ГРЛ серии ЛОКАС третьего поколения — ЛОКАС-3, которым предшествовали ЛОКАС-1, переданный в серийное производство в 1986 году, и ЛОКАС-2, запущенный в серию в 1991-м. Тогда же был создан модернизированный вариант ЛОКАС-2М, оснащенный автоматизированной системой управления процессами зондирования, регистрации и оперативного отображения информации, размещаемой в автофургоне. Система управления ЛОКАС-3 представляет собой компактное переносное устройство, что значительно облегчает работу с ГРЛ.
Принципиальная блок-схема ГРЛ серии ЛОКАС показана на рис. 1. Ключевые элементы локатора — антенные системы — выполнены в виде раздельных однотипных устройств излучения и приема зондирующих сигналов. Собственно антенна представляет собой плоскостной изолированный симметричный вибратор с полупроводящим экраном. Отношение интенсивности излучения в изучаемую среду и в окружающее пространство составляет не менее 20 дБ. Это позволяет вести исследования в условиях плотной городской застройки, свайных полей, внутри помещений и т.п. Антенна смонтирована в кейсе из стеклопластика совместно с передающим или приемным устройством. Генератор передатчика выполнен по схеме с внешним возбуждением и формирует сигнал в виде одного периода синусоиды.
Приемный тракт состоит из входного аттенюатора, построенного на коммутируемых резистивных элементах с глубиной регулирования 64 дБ, малошумящего широкополосного усилителя, стробоскопического устройства выборки и хранения. Временное расположение строб- и синхроимпульса, задаваемое цифровым синтезатором, определяется управляющим кодом и изменяется с заданным интервалом дискретизации по временной шкале с максимальным значением 1,2 мкс. Синхронизация обеспечивается опорным кварцевым генератором. Формирование управляющих кодов, прием кодов от устройства выборки и хранения, обслуживание канала сопряжения с компьютером осуществляется программируемым контроллером управления. В ГРЛ может применяться IBM-совместимый компьютер, который обеспечивает управление адаптацией режимов работы ГРЛ, наблюдением, регистрацией и обработкой информации.
В НПП ЛОКАС более чем за десять лет накоплен значительный опыт использования технологии подповерхностного радиолокационного зондирования в инженерно-геологических изысканиях под объекты промышленного, жилищного, дорожного и специального строительства в различных регионах России [7—18]. С помощью ГРЛ ЛОКАС-2 и ЛОКАС-2М решались две основные задачи: исследование геологического строения разреза и прослеживание отдельных его границ, а также изучение коммуникаций и строительных конструкций. Оценка возможности применения ГРЛ для диагностики технического состояния и контроля качества аэродромных сооружений показала, что ЛОКАС 2 и ЛОКАС 2М могут выявить асбоцементные коллекторы диаметром 0,6 м, расположенные под асфальтобетонными покрытиями аэродрома на глубине четырех метров, а также конструктивные элементы рулежных дорожек и взлетно-посадочных полос (швы, арматура и т.п.), локальные и протяженные неоднородности и изменения структуры жесткого покрытия [10—12].
Опытно-демонстрационные работы ГРЛ ЛОКАС-2 на объектах МосНПО РАДОН в декабре 1993 — июне 1994 года показали возможность и целесообразность применения радиолокационного зондирования в технологиях обезвреживания радиоактивных отходов. Сегодня это единственный метод, позволяющий изучать состояние и сезонные изменения закрытых емкостей захоронения радиоактивных отходов без нарушения целостности конструкций, что имеет неоценимое значение для защиты окружающей среды от воздействия радионуклидов [13].
В 1994 году специалисты НПП ЛОКАС и треста МосЦТИСИЗ Минстроя РФ исследовали грунты под одной из московских школ, чтобы определить причины деформации аварийного здания и выработать рекомендации по его безопасной эксплуатации [14]. Наличие и характер обводнения грунтов были выявлены с использованием изделия 17ГРЛ-2 и программно-аппаратного комплекса георадиолокационных данных Geoshell/Geobase 2.0 НПП ЛОКАС. Радиолокационное зондирование помогло обнаружить активный подземный эррозионный процесс у заднего северного угла здания, который снижал прочность грунтового основания и приводил к возникновению и развитию процессов разрушения в фундаменте и стенах здания (рис. 2).
Настораживают результаты проведенного в конце 1997 года радиолокационного зондирования дренирующего участка плотины в Истринском районе Московской области [18]. Зондирование на глубину восемь метров позволило составить представление о состоянии тела плотины и контактной зоны с ложем. На представленном фрагменте поперечного профиля длиной 15 м водоток уходит под кромку железобетонного покрытия верхнего бьефа с аномальными зонами проникновения в тело плотины (рис. 3). Эта зона прослеживается от 1,2 м (левая сторона рисунка) до 3,0 м (правая сторона). Проведенное обследование позволило выявить в теле плотины общую аномальную зону грунтов с высоким содержанием песчаной фракции, что обусловлило ее обводнение и образование проницаемых каналов с выносом наружу грунтов тела плотины.
Итак, технологии подповерхностного радиолокационного зондирования помогают решить целый комплекс проблем, связанных с безопасностью. В инженерной геологии, например, они способны повысить надежность и качество инженерно-геологических изысканий и обеспечить принятие оптимальных проектных решений. Инженерный мониторинг зданий и сооружений с использованием ГРЛ позволит предотвращать катастрофы, связанные с их разрушением. Режимные наблюдения за состоянием полотна автомагистралей увеличат их пропускную способность и повысят безопасность движения. Такие же наблюдения за взлетно-посадочными полосами аэродромов, несомненно, сделают более безопасными авиаперевозки. Своевременное выявление дефектов защитных сооружений, обеспечение безаварийной эксплуатации дамб, плотин, нефте- и газопроводов с помощью ГРЛ поможет уберечь природу и человека от многих экологических катастроф.
Сфера применения георадиолокационной технологии непрерывно расширяется. Сегодня накопленный в этой области научно-технический потенциал позволяет приступить к созданию аппаратно-программных средств для обнаружения и обезвреживания мин, а также поиска пострадавших в завалах людей и организации аварийно-спасательных работ.
Литература
1. Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. – М.; Недра, 1986.
2. Geological survey of Canada, Paper 90-4, Ground Рenetrating Radar, 1992.
3. Котенков В.Е., Смирнов Н.С., Хабаров Ю.Е. Георадиолокаторы подповерхностного зондирования. – Вестник ноу-хау, 1993, № 3.
4. Аленкович Г., Левитас Б., Минин А. Портативный георадиолокатор для подземных исследований. – Современные технологии автоматизации, 1996, №1.
5. Помозов В., Семейкин Н. и др. Георадар.– Современные средства автоматизации, 1997, №3.
6. Георадар “ЗОНД”. – Электроника: НТБ, 1997,№2.
7. Отчет о результатах испытаний георадиолокатора 17ГРЛ1 на железнодорожной линии Беркакит - Томмот. – Мосгипротранс, 1985.
8. Акт “Испытания экспериментального образца георадиолокатора 17ГРЛ1 на объектах Северо-Муйского тоннеля”, Бамтоннельстрой, Северомуйск, 1985.
9. Применение метода радиолокационного зондирования при инженерных изысканиях для строительства. Отчет И-2155. – Госстрой РСФСР, МосЦТИСИЗ, 1988.
10. Опытно-производственные испытания георадиолокатора 17ГРЛ2 на магистральной рулежной дорожке аэродрома Домодедово. Протокол испытаний. ГПИ АЭРОПРОЕКТ- ВНИИРТ, 1991.
11. Демонстрационные испытания георадиолокатора 17ГРЛ2 на рулежных дорожках аэродрома г.Клин. Протокол испытаний. – в/ч 52689 - ВНИИРТ, 1992.
12. Отчет “Исследование и экспериментальная отработка подповерхностного георадиолокатора для контроля состояния взлетно-посадочной полосы”. – НИР Прогресс. НПП ЛОКАС, 1994.
13. Опытно-демонстрационные работы с георадиолокатором ЛОКАС-2 на полигоне МосНПО РАДОН. Отчет МосНПО РАДОН - НПП ЛОКАС. – Москва, 1994 г.
14. Результаты исследования грунтов, полученные с помощью георадиолокатора 17ГРЛ2, при проведении инженерно-геологических изысканий на объекте Школа № 497. – НПП ЛОКАС,1994.
15. Результаты георадиолокационного зондирования на объекте ст. Решетиха Горьковской ж.д. Протокол испытаний. – НПП ЛОКАС,1995.
16. Опытно-демонстрационные испытания георадиолокатора 17ГРЛ2М на объектах Мостеплосети. Протокол испытаний. – НПП ЛОКАС,1996.
17. Отчет об инженерно-геологических условиях строительства офисно-жилого здания на проспекте Андропова 2/10. – Минстрой России, ИМЦстройизыскания,1997.
18. Результаты георадиолокационных исследований дренирующего участка тела плотины рыбокомбината “Малая Истра”. Отчет. – НПП ЛОКАС, 1997.
Важный параметр, определяющий компромисс между достижимой глубиной зондирования и разрешающей способностью по глубине, — диапазон частот излучаемого сигнала. Рабочие частоты современных георадиолокаторов (ГРЛ) находятся в диапазоне 1—2000 МГц, а отношение разности и суммы граничных частот спектра излучаемого ГРЛ-сигнала превышает 0,85. Поэтому формировать, излучать и обрабатывать сверхширокополосные сигналы необходимо без несущей, что существенно отличает ГРЛ от традиционных радиолокаторов. Еще одно его отличие от традиционной радиолокации, рассчитанной на излучение сигнала в сравнительно однородную воздушную атмосферу, состоит в том, что для георадиолокационной технологии характерно значительное затухание радиоволн в исследуемых средах, а также электрофизическая неоднородность и дисперсионность характеристик этих сред. Таким образом, объектами зондирования в этом случае являются не только искомые предметы, находящиеся в среде, но и сама среда.
В связи с жесткими условиями работы ГРЛ должны нормально функционировать при температуре -30...+50оС, обладать вибростойкостью при ускорении до 5g и ударопрочностью до 20g, высокой надежностью, низким электропотреблением, малыми габаритами и т.п., обеспечивая стабильные параметры при излучении сигналов с амплитудой до нескольких сотен вольт и длительностью от 1 до 24 нс. Кроме того, от георадиолокационной системы требуется уверенный прием, регистрация, обработка и отображение информации. ГРЛ, отвечающие таким требованиям, представляют собой эффективное средство получения информации о структурной неоднородности исследуемой среды. Не случайно в последнее время интерес к системам такого типа быстро растет [1—6].
Всеми перечисленными достоинствами обладают подготавливаемые к производству ГРЛ серии ЛОКАС третьего поколения — ЛОКАС-3, которым предшествовали ЛОКАС-1, переданный в серийное производство в 1986 году, и ЛОКАС-2, запущенный в серию в 1991-м. Тогда же был создан модернизированный вариант ЛОКАС-2М, оснащенный автоматизированной системой управления процессами зондирования, регистрации и оперативного отображения информации, размещаемой в автофургоне. Система управления ЛОКАС-3 представляет собой компактное переносное устройство, что значительно облегчает работу с ГРЛ.
Принципиальная блок-схема ГРЛ серии ЛОКАС показана на рис. 1. Ключевые элементы локатора — антенные системы — выполнены в виде раздельных однотипных устройств излучения и приема зондирующих сигналов. Собственно антенна представляет собой плоскостной изолированный симметричный вибратор с полупроводящим экраном. Отношение интенсивности излучения в изучаемую среду и в окружающее пространство составляет не менее 20 дБ. Это позволяет вести исследования в условиях плотной городской застройки, свайных полей, внутри помещений и т.п. Антенна смонтирована в кейсе из стеклопластика совместно с передающим или приемным устройством. Генератор передатчика выполнен по схеме с внешним возбуждением и формирует сигнал в виде одного периода синусоиды.
Приемный тракт состоит из входного аттенюатора, построенного на коммутируемых резистивных элементах с глубиной регулирования 64 дБ, малошумящего широкополосного усилителя, стробоскопического устройства выборки и хранения. Временное расположение строб- и синхроимпульса, задаваемое цифровым синтезатором, определяется управляющим кодом и изменяется с заданным интервалом дискретизации по временной шкале с максимальным значением 1,2 мкс. Синхронизация обеспечивается опорным кварцевым генератором. Формирование управляющих кодов, прием кодов от устройства выборки и хранения, обслуживание канала сопряжения с компьютером осуществляется программируемым контроллером управления. В ГРЛ может применяться IBM-совместимый компьютер, который обеспечивает управление адаптацией режимов работы ГРЛ, наблюдением, регистрацией и обработкой информации.
В НПП ЛОКАС более чем за десять лет накоплен значительный опыт использования технологии подповерхностного радиолокационного зондирования в инженерно-геологических изысканиях под объекты промышленного, жилищного, дорожного и специального строительства в различных регионах России [7—18]. С помощью ГРЛ ЛОКАС-2 и ЛОКАС-2М решались две основные задачи: исследование геологического строения разреза и прослеживание отдельных его границ, а также изучение коммуникаций и строительных конструкций. Оценка возможности применения ГРЛ для диагностики технического состояния и контроля качества аэродромных сооружений показала, что ЛОКАС 2 и ЛОКАС 2М могут выявить асбоцементные коллекторы диаметром 0,6 м, расположенные под асфальтобетонными покрытиями аэродрома на глубине четырех метров, а также конструктивные элементы рулежных дорожек и взлетно-посадочных полос (швы, арматура и т.п.), локальные и протяженные неоднородности и изменения структуры жесткого покрытия [10—12].
Опытно-демонстрационные работы ГРЛ ЛОКАС-2 на объектах МосНПО РАДОН в декабре 1993 — июне 1994 года показали возможность и целесообразность применения радиолокационного зондирования в технологиях обезвреживания радиоактивных отходов. Сегодня это единственный метод, позволяющий изучать состояние и сезонные изменения закрытых емкостей захоронения радиоактивных отходов без нарушения целостности конструкций, что имеет неоценимое значение для защиты окружающей среды от воздействия радионуклидов [13].
В 1994 году специалисты НПП ЛОКАС и треста МосЦТИСИЗ Минстроя РФ исследовали грунты под одной из московских школ, чтобы определить причины деформации аварийного здания и выработать рекомендации по его безопасной эксплуатации [14]. Наличие и характер обводнения грунтов были выявлены с использованием изделия 17ГРЛ-2 и программно-аппаратного комплекса георадиолокационных данных Geoshell/Geobase 2.0 НПП ЛОКАС. Радиолокационное зондирование помогло обнаружить активный подземный эррозионный процесс у заднего северного угла здания, который снижал прочность грунтового основания и приводил к возникновению и развитию процессов разрушения в фундаменте и стенах здания (рис. 2).
Настораживают результаты проведенного в конце 1997 года радиолокационного зондирования дренирующего участка плотины в Истринском районе Московской области [18]. Зондирование на глубину восемь метров позволило составить представление о состоянии тела плотины и контактной зоны с ложем. На представленном фрагменте поперечного профиля длиной 15 м водоток уходит под кромку железобетонного покрытия верхнего бьефа с аномальными зонами проникновения в тело плотины (рис. 3). Эта зона прослеживается от 1,2 м (левая сторона рисунка) до 3,0 м (правая сторона). Проведенное обследование позволило выявить в теле плотины общую аномальную зону грунтов с высоким содержанием песчаной фракции, что обусловлило ее обводнение и образование проницаемых каналов с выносом наружу грунтов тела плотины.
Итак, технологии подповерхностного радиолокационного зондирования помогают решить целый комплекс проблем, связанных с безопасностью. В инженерной геологии, например, они способны повысить надежность и качество инженерно-геологических изысканий и обеспечить принятие оптимальных проектных решений. Инженерный мониторинг зданий и сооружений с использованием ГРЛ позволит предотвращать катастрофы, связанные с их разрушением. Режимные наблюдения за состоянием полотна автомагистралей увеличат их пропускную способность и повысят безопасность движения. Такие же наблюдения за взлетно-посадочными полосами аэродромов, несомненно, сделают более безопасными авиаперевозки. Своевременное выявление дефектов защитных сооружений, обеспечение безаварийной эксплуатации дамб, плотин, нефте- и газопроводов с помощью ГРЛ поможет уберечь природу и человека от многих экологических катастроф.
Сфера применения георадиолокационной технологии непрерывно расширяется. Сегодня накопленный в этой области научно-технический потенциал позволяет приступить к созданию аппаратно-программных средств для обнаружения и обезвреживания мин, а также поиска пострадавших в завалах людей и организации аварийно-спасательных работ.
Литература
1. Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. – М.; Недра, 1986.
2. Geological survey of Canada, Paper 90-4, Ground Рenetrating Radar, 1992.
3. Котенков В.Е., Смирнов Н.С., Хабаров Ю.Е. Георадиолокаторы подповерхностного зондирования. – Вестник ноу-хау, 1993, № 3.
4. Аленкович Г., Левитас Б., Минин А. Портативный георадиолокатор для подземных исследований. – Современные технологии автоматизации, 1996, №1.
5. Помозов В., Семейкин Н. и др. Георадар.– Современные средства автоматизации, 1997, №3.
6. Георадар “ЗОНД”. – Электроника: НТБ, 1997,№2.
7. Отчет о результатах испытаний георадиолокатора 17ГРЛ1 на железнодорожной линии Беркакит - Томмот. – Мосгипротранс, 1985.
8. Акт “Испытания экспериментального образца георадиолокатора 17ГРЛ1 на объектах Северо-Муйского тоннеля”, Бамтоннельстрой, Северомуйск, 1985.
9. Применение метода радиолокационного зондирования при инженерных изысканиях для строительства. Отчет И-2155. – Госстрой РСФСР, МосЦТИСИЗ, 1988.
10. Опытно-производственные испытания георадиолокатора 17ГРЛ2 на магистральной рулежной дорожке аэродрома Домодедово. Протокол испытаний. ГПИ АЭРОПРОЕКТ- ВНИИРТ, 1991.
11. Демонстрационные испытания георадиолокатора 17ГРЛ2 на рулежных дорожках аэродрома г.Клин. Протокол испытаний. – в/ч 52689 - ВНИИРТ, 1992.
12. Отчет “Исследование и экспериментальная отработка подповерхностного георадиолокатора для контроля состояния взлетно-посадочной полосы”. – НИР Прогресс. НПП ЛОКАС, 1994.
13. Опытно-демонстрационные работы с георадиолокатором ЛОКАС-2 на полигоне МосНПО РАДОН. Отчет МосНПО РАДОН - НПП ЛОКАС. – Москва, 1994 г.
14. Результаты исследования грунтов, полученные с помощью георадиолокатора 17ГРЛ2, при проведении инженерно-геологических изысканий на объекте Школа № 497. – НПП ЛОКАС,1994.
15. Результаты георадиолокационного зондирования на объекте ст. Решетиха Горьковской ж.д. Протокол испытаний. – НПП ЛОКАС,1995.
16. Опытно-демонстрационные испытания георадиолокатора 17ГРЛ2М на объектах Мостеплосети. Протокол испытаний. – НПП ЛОКАС,1996.
17. Отчет об инженерно-геологических условиях строительства офисно-жилого здания на проспекте Андропова 2/10. – Минстрой России, ИМЦстройизыскания,1997.
18. Результаты георадиолокационных исследований дренирующего участка тела плотины рыбокомбината “Малая Истра”. Отчет. – НПП ЛОКАС, 1997.
Отзывы читателей
