Физические основы метода георадиолакации.

История

Георадиолокация – так сейчас называют радиолокацию подземных или подповерхностных объектов – возникла из обычной радиолокации самолетов, кораблей, поверхности земли, моря и т.д., окруженных воздушным пространством.

Сама идея «посмотреть» под землю, как неоднократно упоминали разработчики радиолокационной техники 50-х годов прошлого века, приходила в голову многим. Но попытки направить антенну радиолокатора в землю ни чем не заканчивались – сигналы из-под земли не регистрировались.

Первое зафиксированное радиоотражение от подповерхностных структур было получено случайно на ледовом аэродроме в Антарктиде А. Уэйтом в 1957 г. Он обратил внимание на то, что радиовысотомер показывал высоту 900 футов еще до момента отрыва самолета от взлетной полосы. Оказалось, что радиовысотомер, который представлял собой импульсный радиолокатор, фиксировал отражение от нижней границы ледника [2].

Это послужило началом исследований вопроса об использовании радиолокации в геофизике. Вскоре было выяснено, что применение стандартных радиолокаторов возможно только в очень ограниченном количестве случаев, когда затухание радиоволн в среде мало, например, для льда, сухих песчаников, каменной соли. Для подавляющего большинства земных пород затухание радиоволн очень велико и отраженные от самых близких объектов сигналы затухают столь быстро, что накладываются на зондирующий импульс, который к этому моменту еще не успел закончиться. По этой причине они не могут быть зарегистрированы.

Выход из положения был найден тогда, когда вместо обычного радиолокационного импульса с высокочастотным заполнением, стали применять импульс без несущей, который представляет собой одно или несколько колебаний тока в антенне и имеет относительную полосу спектра, близкую к единице. Такой сверхширокополосный моноимпульсный сигнал обладает наилучшими характеристиками для подповерхностного радиолокатора, поскольку обеспечивает одновременно максимальную глубину зондирования и максимальное разрешение. Его можно рассматривать как предельный случай трансформации обычного радиосигнала, когда мы начинаем уменьшать частоту несущей, чтобы увеличить глубину, и одновременно уменьшать длительность огибающей, чтобы иметь максимальное разрешение.

Способ формирования такого импульса был предложен в 1960 г. И.Куком и до сих пор используется в георадиолокации. В этом способе, получившем название «метода ударного возбуждения антенны», на передающую антенну подается перепад напряжения, который и формирует сверхширокополосный импульс. Оптимальный частотный диапазон подповерхностного локатора лежит в пределах 50-500 МГц, что является компромиссом между глубиной зондирования в единицы – десятки метров и разрешением в единицы-десятки сантиметров для реальных геологических структур.

Реально георадиолокация начинает свою историю с 1960 г, когда переход на предложенный И.Куком зондирующий импульс позволил создать прибор, способный работать не только на ледниках.

Физические основы метода георадиолакации.

Принцип действия аппаратуры подповерхностного радиолокационного зондирования (в общепринятой терминологии - георадара) основан на излучении сверхширокополосных (наносекундных) импульсов метрового и дециметрового диапазона электромагнитных волн и приеме сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства. Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами - уровень грунтовых вод, контакты между породами различного литологического состава, между породой и материалом искусственного сооружения, между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными и осадочными породами и т.д.