Георадары SIR-3000 и SIR-20

Министерство образования  и науки Республики Казахстан

Карагандинский  государственный технический университет

 

 

                  

                                                                     Кафедра: МДиГ

Реферат

 

по  дисциплине: Современные геодезические приборы применяемые в строительстве

Тема: « Георадары SIR-3000 и SIR-20»

 

Принял: 

_____________                                                        к.т.н Хмырова Е.Н.                 .                                                         

         ^{оценка                                                                                     (подпись, дата)}

Выполнил:  

                                                                               Леонов Н.Н.                             .

^{(подпись,  дата)}

 

 

 

2012

План:

Введение

• 1 История развития георадара
• 2 Основные производители георадаров
• 3 Принцип действия
• 4 Применение георадаров
• 5 Примеры применения георадара
• 6 модели георадаров
• Литература

 

 

Введение

 

Георадар - это современный геофизический прибор, применение которого для малоглубинных исследований позволяет получать большое количество детальной информации в относительно короткое время. Мобильность, сравнительная компактность и возможность проводить неразрушающий мониторинг среды с высокой детальностью делают его уникальным среди другого геофизического оборудования.    

 Георадар состоит из трех основных частей: антенный блок, (состоящий из передающей и принимающей антенн), блока обработки полученных сигналов, ноутбука для визуализации и интерпретации данных. Максимальная глубина исследований ограничивается 80 метрами в хороших условиях. 

Основой метода георадиолокации, известного еще как подповерхностная радиолокация или радиолокационное зондирование, является отражение излучаемой высокочастотной электромагнитной волны от границ раздела слоев в верхней части разреза, имеющих различные электрические свойства (диэлектрическую проницаемость).

Такими границами могут  являться как геологические объекты, так и локальные неоднородности различного происхождения. Это дает возможность использовать георадар для выявления подповерхностных структурно-вещественных неоднородностей, в том числе не металлических, находящихся в различных средах.  

 

1. История развития георадара

 

 

Разработка георадаров велась в Рижском институте инженеров гражданской авиации (РИИГА) начиная с 1966 года. На основе экспериментов в натуральных условиях исследовались методы построения специализированных радиолокаторов для зондирования сравнительно тонких высокопоглащающих сред. Использование ударного возбуждения антенны позволило оценить электрические характеристики морского льда на разных частотах. Впервые радиолокационное измерение толщины морского льда проведено в 1971 года. С помощью предложенного М. И. Финкельштейном в 1969 году. Метода синтезируемого видеоимпульсного сигнала. Этот метод применён в первом промышленном радиолокационном измерителе толщины морского льда «Аквамарин». В 1973 году с борта самолета была доказана возможность обнаружения и измерения глубины водоносных слоев в пустынных районах Средней Азии. Использовался разработанный в РИИГА радиолокатор с ударным возбуждением антенны импульсами длительностью 50 нс с центральной частотой спектра около 65 МГц. Глубина зондирования оказалась выше 20 м при высоте полета самолета 200…400 м. Аналогичные работы были проведены для известняков в 1974 году, для мёрзлых пород — в 1975 году.

Следует указать на использование  метода синтезирования апертуры в радиолокационной системе, установленной на борту космического корабля «Аполлон-17», для исследования поверхности Луны. Система была испытана в 1972 году С борта самолета над ледниками Гренландии на частоте 50 МГц при длительности импульса с линейной частотой модуляции 80 мкс (коэффициент сжатия 128).

Серийные образцы георадаров начали появляться в начале 70-х годов. В середине 80-х интерес к георадиолокации возрос в связи с очередным скачком в развитии электроники и вычислительной техники. Но, как показал опыт, это развитие оказалось недостаточным. Трудозатраты на обработку материалов не смогли окупиться в полной мере, и интерес к георадиолокации снова упал. В 90-е годы, когда произошла очередная научно-техническая революция, и персональные компьютеры стали более доступны, интерес к георадиолокации вновь возрос и не ослабел до сих пор.

С конца 90-х годов регулярно  проводятся научно-исследовательские  конференции, посвященные этому  методу. Издаются специальные выпуски  журналов.

 

2. Основные производители георадаров

 

 

В России разработкой георадарных технологий занимаются ООО «ВНИИ СМИ» — георадары серии «ЛОЗА», ЗАО «ТАЙМЕР» — георадары «Грот», снабженные антеннами для различных нужд, а также ООО «ЛОГИС» (официальным представителем которого является Научно-Производственный Центр Георадарных Технологий, НПЦ ООО «ГЕОТЕХ») — георадары ОКО-2 (экранированные и рупорные антенны с широкой линейкой частот). ООО «Геологоразведка»- георадары серии ТР-ГЕО.

В Украине разработчиками и производителями георадаров являются компании Transient Technologies - георадар VIY и ООО "Спецавтоматика" - георадар EASYRAD GPR.

Зарубежные компании — производители георадаров — IDS Ingegneria Dei Sistemi S.p.A. (Италия), GSSI (США), Sensor and Software Inc. (Канада), Era Technology (Великобритания), Geoscanners AB и MALA Geoscience(Швеция), RADIANT-EM (Германия), Radar Systems (Латвия), OYO corporation (Япония), Geozondas (Литва).

Основным поставщиком  технологий на основе использования  многоканальных георадаров производства IDS S.p.A. является ЗАО "Геостройизыскания" (Москва).

Официальным дистрибьютором георадаров производства MALA Geoscience на территории России и стран СНГ является ЗАО "ПРИН"

 

 

3. Принцип действия

 

Радары подповерхностного зондирования предназначены для изучения сред-диэлектриков по изменению диэлектрической проницаемости и/или электропроводности. Чаще всего георадары применяются для инженерно-геотехнического обследования грунтов и неразрушающего контроля (неметаллических) строительных конструкций.

Принцип действия большинства  современных георадаров тот же, что и у обычных импульсных радаров. В изучаемую среду излучается электромагнитная волна, которая отражается от разделов сред и различных включений. Отраженный сигнал принимается и записывается георадаром.

В настоящее время большинство  серийно производимых радаров можно  сгруппировать в несколько подтипов, которые отличаются основными принципами функционирования:

• стробоскопические георадары: такие радары испускают преимущественно импульсы с небольшой энергией, около 0.1-1 мкДж, но таких импульсов испускается довольно много 40-200тысяч импульсов в секунду. Используя стробоскопический эффект можно получить очень точную развертку - радарограмму во времени. Фактически усреднение данных с огромного числа импульсов позволяет существенно улучшить отношение сигнал/шум. В то же время, мощность в 0.1-1 мкДж накладывает серьезные ограничения на глубину проникновения таких импульсов. Обычно такие радары показывают очень точную картинку на глубине около одного метра, но практически ничего не видят на глубину более 3-5 метров.
• слабоимпульсные радары: такие радары испускают существенно меньше 500-1000 импульсов в секунду, мощность каждого такого импульса уже существенно выше и достигает 100мкДж . Оцифровывая в каждом таком импульсе одну точку с разным сдвигом от начала, можно получить радарограмму во временной области без стробирования. В то же время такой аппарат позволяет снимать около одной радарограммы в секунду и практически не позволяет использовать усреднение для улучшения отношения сигнал/шум. Это позволяет получать радарограммы с глубин в десятки метров, но трактовать такие радарограммы может только специально обученный специалист.
• сверхмощные радары с разнесенными антеннами: такие радары испускают только несколько импульсов в секунду, но энергия такого импульса достигает до 1-12 Дж. Это позволяет получать отражения от многих глубинных слоев вплоть до километровой глубины, но требует специального типа эксперимента, а именно испускающая антенна должна располагаться далеко (10-100м). Обработка таких радарограмм без использования специального программного обеспечения не представляется возможным. Обычно производители таких георадаров поставляют такое программное обеспечение в комплекте с георадаром.

Для всех вышеперечисленных  типов радаров имеется возможность  использования одного или нескольких каналов. В этом случае условно можно  разделить все эти георадары на еще несколько классов:

• одноканальные георадары: в таких георадарах имеется один передатчик и один приемник, большинство компаний производителей георадаров имеют одноканальные георадары.
• многоканальные парные георадары: в таких георадарах имеется несколько пар приемник-передатчик, так что съемка геопрофиля с каждого канала происходит одновременно. Такие системы распространены у многих зарубежных производителей, которые специализируются на геопрофилировании дорожных покрытий. Такая система фактически содержит несколько одноканальных георадаров и позволяет в разы уменьшить время профилирования. Недостатком таких систем является громоздскость (они в разы больше одноканальных) и высокая стоимость.
• многоканальные георадары с синтезированной приемной апертурой: это наиболее сложный тип георадаров, в котором на одну испускающую антенну приходится несколько приемных, которые синхронизованы между собой. Фактически такие георадары представляют собой аналог фазированной решетки. Основным преимуществом таких систем является гораздо более четкое позиционирование объектов под землей - фактически они работают по принципу стерео зрения, как если бы у радара было бы несколько глаз-антенн. Основным недостатком таких систем является очень сложные вычислительные алгоритмы, которые необходимо решать в реальном времени, что приводит к использованию дорогих электронных компонент, обычно на основе FPGA и GPGPU. Обычно такие системы применяются только в сверхмощных георадарах с разнесенными антеннами. В то же время, такие системы более помехоустойчивы и позволяют получать наиболее точную картину распределения диэлектрической проницаемости под землей.

 

4. Применение георадаров.

 

 

В настоящее время в  условиях ограничения средств на диагностику дорожных конструкций  для последующего планирования ремонта  и реконструкции автомобильных дорог особую актуальность приобретают экономичные и мобильные методы обследований дорожных конструкций, основанные на использовании георадарных приборов неразрушающего контроля. 
   Перед появлением видимых разрушений дорожного покрытия внутри дорожной одежды или земляного полотна протекают скрытые процессы в грунтах земляного полотна (образование пустот, заиление дренирующих слоев, переувлажнение грунта земляного полотна, инфильтрация грунтовых вод и т.п.), своевременное выявление которых позволило бы вовремя принимать соответствующие меры. Обычно состояние дорожной одежды оценивают по кернам, полученным в результате ее бурения керноотборником, либо по результатам испытаний приборами динамического и статического нагружения. Указанные методы не позволяют получать непрерывную информацию о толщине и состоянии  конструктивных слоев дорожной одежды и грунтов земляного полотна. 
  Применение георадарных исследований позволит получить детальную информацию о состоянии дорожной одежды в короткие сроки, что недостижимо при использовании стандартных методов бурения. Использование неразрушающих георадарных технологий позволит повысить качество и сократить затраты проектных, строительных и эксплуатационных работ. 
  Георадары применяются для решения следующих задач: 
- проверка толщины конструктивных слоев дорожной одежды и толщины слоев грунта земляного полотна, а также оценка однородности дорожно-строительных материалов;  
- оценка качества уплотнения и влажности грунтов земляного полотна; 
- определение поперечных и продольных уклонов подошвы подстилающего грунта; 
- оценка однородности используемого грунта, как при приемке выполненных работ, так и при эксплуатации дорог для оценки состояния дорожной конструкции и назначения ремонтных мероприятий; 
- определение глубины залегания уровня грунтовых вод и размеров переувлажненных зон грунта земляного полотна для оценки эффективности работы дренирующих устройств; 
- определение мощности слабых грунтов, подстилающих земляное полотно и выявление дефектов в дорожной одежде и грунтах земляного полотна (пустоты, зоны разуплотненных грунтов и инфильтрации воды, зоны переувлажненных грунтов, и т.д.) в процессе эксплуатации автомобильной дороги;  
- мониторинговые наблюдения за состоянием дорожной одежды и земляного полотна с целью наблюдения за распределением глубины промерзания и оттаивания грунтов, а также изменением их влажности, глубиной залегания грунтовых вод в процессе эксплуатации автомобильной дороги и т.п. 
С применением рупорных георадаров возможно быстро и эффективно определять границы и толщину слоев дорожных одежд, выявлять зоны увлажнения грунтов, инородные включения в грунте, пространственные очертания подошвы слоев, пути инфильтрации грунтовых вод, а также - дефекты, допущенные в процессе дорожных работ.

 

 

 Так же георадары применяются :

 
1. В геологии 
- для построения геологических разрезов, определения границ пластов, уровня грунтовых вод, зон избыточной обводненности, картирования подземного рельефа коренных пород, погребенных долин рек и т.д. 
- определения границ распространения полезных ископаемых в карьере, мощности вскрыши, изучения трещиноватости и обводненности скальных пород, выявления пустот. 
- выявление участков развития опасных геологических процессов (карста, пустот, суффозии, оползней и др.) 
2. В коммунальных службах – поиск и определение коммуникаций и сетей (металлических и пластиковых!). Только георадаром возможно нахождение и определение глубины залегания пластиковых водопроводов, газопроводов, систем канализации. Георадар определяет места утечек, а так же незаконных врезок в трубопроводах. 
3. В промышленном и гражданском строительстве 
- для определения качества и состояния бетонных конструкций (мостов, зданий и т.д.), состояния дамб и плотин, выявления оползневых зон, месторасположения инженерных сетей  
- для выявления и обследования арматуры, внутреннего каркаса бетонных конструкций 
-для исследования внутреннего строения и деформационного состояния зданий и инженерных конструкций, параметров подземных частей фундаментов, оснований, свай

4. В экологии и охране окружающей среды 

 - для оценки загрязнения почв, обнаружения утечек из нефте- и водопроводов, мест захоронения экологически опасных отходов, отвалов и др.  
6. В археологии 
 - Традиционные археологические методы не позволяют гарантировать выявление объекта на больших площадях из-за значительности трудозатрат и ограничения по времени. Поэтому для нахождения археологических объектов, определения границ их распространения, обследования объектов исторического и культурного наследия активно используется георадар. 
7. В силовых структурах 
 - для выполнения разного рода задач связанных с поиском и обнаружением тайников и захоронений, а также выявления подкопов к особо охраняемым объектам. 
В настоящее время, георадиолокационный метод является самым производительным и технологичным среди других геофизических методов, применяемых для решения инженерно-геологических, гидрогеологических, экологических и геотехнических задач.

 
Основные преимущества георадара: 
1) возможность проведения исследований без нарушений целостности грунта  
2) возможность проведения работ на различных поверхностях - лед, снег, асфальт, фундаменты, подвалы зданий, пересеченная местность и т.д. 
3) высокая мобильность и скорость проведения работ, компактность 
4) построение трехмерных моделей объектов 
5) минимальное количество обслуживающего персонала – 1-2 человека 
6) определение и картографирование приповерхностных неоднородностей в режиме «реального времени».