 |
Электрофизические свойства горных пород
|
|
|
|
Наиболее важными параметрами, характеризующими возможности применения метода георадиолокации в различных средах, являются удельное затухание и скорость распространения электромагнитных волн в среде, которые определяются ее электрическими свойствами. Первый из них определяет глубинность зондирования используемого георадара, знание второго параметра необходимо для пересчета временной задержки отраженного импульса в глубину до отражающей границы.
Таблица 1.1 Удельное электрическое сопротивление пород постоянному току и диэлектрическая проницаемость в метровом диапазоне волн.
| Тип породы | естественной влажности r при различной минерализации I e¢ | водонасыщенных r при различной минерализации I e¢ | ||||||
| 0.1 - 0.4, г/л | 0.5 - 0.8, г/л | 1.0 - 3.0, г/л | e¢ | 0.1 - 0.4, г/л | 0.5 - 0.8, г/л | 1.0 - 3.0, г/л | e¢ | |
| Пески разнозернистые | 500-8000 | 150-2000 | 30-700 | 4-9 | 120-1200 | 40-400 | 10-100 | 16-25 |
| Супеси | 100-5000 | 40-160 | 10-50 | 6-16 | 60-500 | 20-70 | 8-20 | 16-25 |
| Суглинки | 60-2000 | 20-50 | 5-15 | 9-25 | 50-500 | 15-35 | 3-10 | 16-30 |
| Глины | 3-60 | 1-30 | 0.2-15 | 16-30 | 3-50 | 1-30 | 0.2-15 | 20-36 |
| Валунно-галечниковые отложения с песчаным заполнителем | 1200-50000 | 1500-20000 | 300-5000 | 4-9 | 600-3000 | 80-1500 | 20-1000 | 10-20 |
| Валунно-галечниковые отложения с глинистым заполнителем | - | 90- 500 | 20-150 | 6-16 | - | 70-300 | 15-80 | 10-25 |
| Песчано-глинистые отложения с гравием, галькой и валунами | 300-12000 | 90-3000 | 15-700 | 4-16 | 80-3000 | 25-800 | 7-250 | 10-25 |
| Скальные породы невыветрелые | - | 250-108 | - | 3-6 | - | - | - | - |
| Скальные породы выветрелые, трещиноватые | - | 30-400 | - | - | - | - | - | - |
| Известняки крепкие плотные | - | 100-105 | - | 4-7 | - | - | - | - |
| Доломиты крепкие плотные | - | 50-105 | - | 5-7 | - | - | - | - |
| Мергели | - | 20-500 | - | 20-30 | - | - | - | - |
| Глинистые сланцы | - | 5-5000 | - | 7-10 | - | - | - | - |
Распространение электромагнитных волн метрового диапазона, характерного для георадарных исследований, рассматривается в рамках законов геометрической оптики соответственно для плоских волн на больших удалениях от источника и для сферических волн на малых удалениях от источника.
|
|
|
Предполагается, что в рамках допустимых погрешностей в определении скоростей распространения и амплитуд волн действуют принципы Ферма, Гюйгенса, Френеля и закон Снеллиуса. Предполагается, что в изотропной среде луч перпендикулярен фронту волны и возможны геометрические построения путей волн в среде с последующим вычислением параметров среды по измеренным кинематическим и динамическим характеристикам записей волн (радарограмм) практически также, как это делается в сейсморазведке.
При двукратном прохождении через границу, например, при отражении от более глубокой границы, суммарное уменьшение амплитуды сигнала будет равно 1- К² ОТР.
Дифракция электромагнитных волн. Это явление возникает в том случае, когда электромагнитными волнами облучается отражающий объект, размеры которого меньше преобладающей длины волны. Математическое описание процесса дифракции чрезвычайно сложно. Суть явления состоит в том, что в соответствии с принципом Гюйгенса, каждая точка фронта волны представляет собой элементарный вторичный источник волн. На небольшой в сравнении с длиной волны поверхности объекта эти элементарные источники складываются. В итоге весь объект представляет собой вторичный источник электромагнитных волн в среде. Это чрезвычайно важное для георадиолокационных исследований явление, так как поиск локальных объектов сводится к поиску вторичных источников излучения на записях волновых картин, что позволяет не только опознать их на записи, но и определить глубину залегания объекта и скорость распространения электромагнитных волн в среде над объектом.
|
|
|
Затухание электромагнитных волн. Под затуханием чаще всего понимают общее уменьшение амплитуды зондирующего сигнала при прохождении его через среду до отражающей границы и обратно к приемнику. Факторами, вызывающими уменьшение амплитуды, являются следующие:
- отражение и преломление на промежуточных границах (рассмотрено выше);
- потери, связанные с проводимостью среды (рассмотрено выше);
- геометрическое расхождение фронта волн.
Все задачи, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две большие группы с характерными для каждой группы методиками исследований, способами обработки, типами отображения объектов исследования в поле электромагнитных волн и представлениями результата.
Геологические, инженерно-геологические и гидрогеологические задачи:
а) картирование геологических структур - восстановление геометрии относительно протяженных границ, поверхности коренных пород под рыхлыми
осадками, уровня грунтовых вод, границ между слоями с различной степенью водонасыщения, поиск месторождений строительных материалов;
б) определение свойств различных отложений по скорости распространения электромагнитных волн, опираясь на связь этих свойств с диэлектрической проницаемостью пород;
в) определение толщины ледяного покрова;
г) определение мощности водного слоя и картирование поддонных отложений;
д) определение мощности зоны сезонного промерзания, оконтуривание областей вечной мерзлоты, таликов.
Поиск локальных объектов, обследование инженерных сооружений, нарушения штатной ситуации:
а) трубопроводов;
б) кабелей;
в) участков разреза с нарушенным естественным залеганием грунта - рекультивированных земель, засыпанных выемок;
г) погребенных отходов и захоронений;
д) подземных выработок, подвалов, карстовых и суффозионных провалов;
е) границ распространения углеводородных загрязнений;
ж) поиск скрытых нарушений в стенах наземных сооружений, шахттоннелей, в опорах и перекрытиях;
з) поиск нарушений, возникших в процессе строительства или в процессе эксплуатации в конструкции автомобильных и железных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов и т.д.
АППАРАТУРА ДЛЯ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННЫХ
|
|
|
ИССЛЕДОВАНИЙ
Принцип действия георадара основан на излучении сверхширокополосных наносекундных импульсов, приеме сигналов, отраженных от границ раздела пород или иных отражающих объектов, стробоскопической обработке принятых сигналов со сжатием их динамического диапазона и последующим измерением временных интервалов между отраженными импульсами. Формирование зондирующих сигналов, имеющих 1.5 - 2 периода колебаний, осуществляется методом ударного возбуждения антенн перепадом напряжения с фронтом наносекундной длительности. Приемное устройство выполняется, как правило, по схеме стробоскопического преобразователя с коэффициентом преобразования временного масштаба порядка 10000 и обеспечивающего трансформацию принятых сигналов в область звуковых частот. Помимо этого, приемный тракт включает в себя широкополосный усилитель с временной автоматической регулировкой усиления (ВАРУ). Наличие ВАРУ обеспечивает сжатие динамического диапазона входных сигналов.
Блок излучения и приема осуществляет формирование зондирующего сигнала на излучающей антенне, прием сигнала с приемной антенны, стробоскопическую обработку, запись в память компьютера и визуализацию на экране монитора. Всем процессом осуществления зондирования с регулируемыми параметрами задержек сигнала (если необходимо), интервала времени регистрации (развертки), коэффициента усиления, программируемого переменного во времени усиления и фильтрации стробоскопированного сигнала управляет компьютер с помощью соответствующей программы сбора и хранения информации.
Георадар Лоза:
Антенны
Антенны вообще являются неотъемлемой и важнейшей частью любого устройства, связанного с излучением и приемом физических полей в физической среде беспроводным способом. Георадиолокация не является исключением. Сколько-нибудь полное рассмотрение теории антенн для излучения и приема электромагнитных волн далеко выходит за рамки данного пособия, а читатель, интересующийся данным вопросом более подробно, может быть отослан к весьма обширной радиотехнической литературе. Ниже приводятся лишь краткие сведения применительно к современным георадарам.
|
|
|
По назначению антенны делятся на излучающие, приемные и приемно-излучающие.
В георадиолокации для излучения и приема используются две одинаковые антенны (бистатическая антенна), либо одна и та же антенна работает сначала в качестве излучающей, а потом в качестве приемной (моностатическая антенна).
По принципу действия антенны, применяемые в георадиолокации, подразделяются на дипольные, щелевые и рупорные.
Состав георадара:
Антенный блок (АБ), включает в свой состав приёмо-передающие антенны, передающие и приёмные устройства и системы обработки информации. Тип антенного блока определяет глубину зондирования и разрешающую способность георадара.
Георадар может комплектоваться несколькими антенными блоками для выполнения разных задач. Блок обработки, управления и индикации (как правило, ноутбуки различных типов с операционной системой Windows или карманные компьютеры с операционной системой WindowsCE). Применение карманного компьютера позволяет уменьшить массу, габариты и стоимость комплекта георадара. Использование в карманном компьютере экрана с отражающей технологией обеспечивает высококонтрастное изображение в условиях яркого солнечного освещения. Блоки питания (БП), используются для питания антенного блока и блока управления. Применяются герметичные батареи свинцовых и никельметаллогидридных аккумуляторов напряжением 12В. Телескопическая штанга, служит для перемещения георадара. Датчик перемещения (ДП), позволяет осуществлять точную привязку по расстоянию на местности. Измеритель пути (ИП), позволяет определять расстояние на пересеченной местности или на воде. Соединительные оптические кабели, служат для передачи информации и сигналов и позволяют повысить качество радиолокационного сигнала. Радиомодем, позволяет производить дистанционное управление прибором и осуществлять съём информации с антенных блоков в радиусе до 100 м.
|
|
|
