Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Теория и методы георадиолокации

Покупка
Артикул: 124349.02.99
Доступ онлайн
295 ₽
В корзину
Посвящено актуальному направлению, интенсивно развивающемуся в последние годы. Рассмотрены физические принципы и теоретические основы георадиолокации, принципы построения георадаров, а также методы, используемые при зондировании геотехнических объектов и интерпретации георадиолокационных измерений. Теоретические исследования проиллюстрированы многочисленными примерами использования георадаров для решения задач горного производства и подземного строительства. С. В. Изюмов - канд. техн. наук, генеральный директор ООО «Геологоразведка», С. В. Дручинин — канд. физ.-мат. наук, заместитель генерального директора по науке ООО «Геологоразведка», А. С. Вознесенский — д-р техн. наук, проф. кафедры «Физико-технический контроль процессов горного производства» Московского государственного горного университета. Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физические процессы горного или нефтегазового производства» направления подготовки «Горное дело». Будет полезно студентам и аспирантам других специальностей, а также инженерно-техническому персоналу и научным работникам, деятельность которых связана с геофизикой и неразрушающим контролем.
Изюмов, С. В. Теория и методы георадиолокации: Учебное пособие / Изюмов С.В., Дручинин С.В., Вознесенский А.С. - Москва :Горная книга, МГГУ, 2008. - 196 с.: ISBN 978-5-98672-098-2. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/995544 (дата обращения: 19.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
90-летию 
МГЛ-МГИ-МГГУ 
посвящается 

РЕДАКЦИОННЫЙ 
СОВЕТ 

Председатель 

Л. А. 
ПУЧКОВ 

Зам. 
председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 

Члены 
редсовета 

ИВ. 
ДЕМЕНТЬЕВ 

АЛ. 
ДМИТРИЕВ 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 

A. В. КОРЧАК 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 

B. И 
ОСИПОВ 

ВЛ. 
ПЕТРОВ 

э.м. 
СОКОЛОВ 

КН. 
ТРУБЕЦКОЙ 

В.А. 
ЧАНТУРИЯ 

Е.И. 
ШЕМЯКИН 

президент 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

директор 
Издательства 
МГГУ 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
МАН 
ВШ 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик 
МАН 
ВШ 

академик 
МАН 
ВШ 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

с в . 
и
з
ю
м
о
в 

СВ. ДРУЧИНИН 
А.С ВОЗНЕСЕНСКИЙ 
£ О 

ТЕОРИЯ
 
в 

И МЕТОДЫ 

ГЕОРАДИО- 
ъ 
ЛОКАЦИИ 
g 
О 

Допущено Учебно-методическим 
• 
А 

объединением вузов Российской Федерации 
2 Й 
по образованию в области горного дела 
г- 
в качестве учебного пособия для студентов вузов, 
обучающихся по специальности 
«Физические 
процессы горного или нефтегазового 
производства» 
направления подготовки «Горное дело»» 
U w 
а-w 
S 

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА» 
СО 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

2008 

S 
А 

УДК 550.83:624.131.25:681.3 
ББК 26.2 
И32 

Книга соответствует 'Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых. СанПиН 1.2.1253—03», утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей 
№ 77.99.60.953М.008501.07.07 
Экспертиза проведена Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела (письмо № 51-67/6 от 05.10.2007г.) 

Рецензенты: 
• д-р техн. наук, проф. А.А. Парамонов [зав. кафедрой «Радиоприемные устройства» Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (Технического университета)]; 
• д-р техн. наук В.Н. Захаров (Институт проблем комплексного освоения недр 
РАН) 

Изюмов СВ., Дручинин СВ., Вознесенский А.С 

И32 
Теория и методы георадиолокации: Учеб. пособие. — М.: Издательство «Горная книга», Издательство Московского 
государственного 
горного университета, 2008. — 196 с : ил. 

ISBN 978-5-98672-098-2 (в пер.) 

ISBN 978-5-7418-0525-1 
Посвящено актуальному направлению, интенсивно развивающемуся в последние годы. Рассмотрены физические принципы и теоретические основы георадиолокации, принципы построения георадаров, а также методы, используемые 
при зондировании геотехнических объектов и интерпретации георадиолокационных измерений. Теоретические исследования проиллюстрированы многочисленными примерами использования георадаров для решения задач горного производства и подземного строительства. 

СВ. Изюмов - канд. техн. наук, генеральный директор ООО «Геологоразведка», СВ. Дручинин — канд. фиэ.-мат. наук, заместитель генерального директора по 
науке ООО «Геологоразведка», А.С. Вознесенский — д-р техн. наук, проф. кафедры 
«Физико-технический контроль процессов горного производства» Московского 
государственного горного университета. 

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физические процессы 
горного или нефтегазового производства» направления подготовки «Горное дело». 
Будет полезно студентам и аспирантам других специальностей, а также инженерно-техническому персоналу и научным работникам, деятельность которых связана с геофизикой и неразрушающим контролем. 

УДК550.83:624.1Э1.25:681.3 
ББК 26.2 

I S B N 978-5-98672-098-2 
© с.В. Изюмов, С В . Дручинин, А.С. Возне
I S B N 978-5-7418-0525-1 
сенский, 2008 

© Издательство «Горная книга», Издательство МГГУ, 2008 

© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2008 

ВВЕДЕНИЕ 

Зондирование объектов в грунте имеет свои особенности, 
цели и задачи. Поэтому георадиолокация давно выделилась в 
отдельную быстро развивающуюся область радиотехники и радиофизики. Георадиолокация включает в себя такие области 
знания и технологии, как исследование распространения радиоволн в грунтах, разработка сверхширокополосных импульсных 
антенн, конструирование электронных блоков георадаров, обработка сигналов и изображений. Прогресс в области компьютерных технологий привёл в последнее время к бурному развитию 
георадиолокации. Новые быстродействующие компьютеры используются для обработки результатов зондирования всё более 
совершенными методами, а также и для наглядной визуализации полученных изображений. 

Объектами применения георадаров яляются среды с низким 
и умеренным поглощением: гранит, кварцит, известняк, гипс, 
песчаные грунты, суглинки с низкой влажностью. Из-за различий в области применения, сред и целей зондирования георадары очень разнообразны по конструкции антенн и могут отличаться друг от друга по принципам работы. Зондирование геологических слоёв грунта осуществляется низкочастотными георадарами, содержащими большие дипольные антенны. Задачи дефектоскопии решаются с помощью высокочастотных приборов 
с рупорными, дипольными или щелевыми экранированными 
антеннами. Частотный диапазон широко применяемых радаров 
простирается от нескольких десятков МГц (зондирование геологических слоёв) до нескольких ГГц и десятков ГГц (дефектоскопия). 

С помощью георадаров решается множество практически 
важных задач. Некоторые из основных приложений следующие: зондирование верхних геологических слоёв грунта, поиск 
и картографирование подземных коммуникаций, труб, кабелей, 
нахождение карстовых полостей, зон разуплотнения на строи
5 

тельных площадках, опережающий контроль состояния грунта 
впереди забоя строящихся тоннелей, контроль автодорожного 
полотна и железнодорожной насыпи, дефектоскопия строительных конструкций, гуманитарное разминирование, применение в 
археологии, криминалистике, гляциологии. 

Теоретическим и практическим аспектам георадиолокации 
посвящены, в частности, монографии [1—4]. 

В Советском Союзе, России и странах СНГ разработка георадаров и исследования в области георадиолокации проводились 
в Московском физико-техническом институте ( М Ф Т И ) под руководством Ю.И. Лещанского с 1958 г., в Рижском институте 
инженеров гражданской авиации (РКИИГА) под руководством 
М.И. Финкельштейна и В.П. Золотарёва, в МГУ на кафедре геофизики с 1944 г. (М.К. Крылов, В.К. Хмелевской, А.В. Калинин), 
в Московском государственном горном университете (МГИМГГУ, Г. Г. Брызгалова, Д. Г. Малюжинец). 

Георадарные устройства делаются более эффективными 
и доступными для пользователя. Увеличивается число фирмпроизводителей георадаров и программного обеспечения к 
георадарам. К основным отечественным организациям и фирмам, разрабатывающим георадары, относятся: О О О «Геологоразведка» (г. Москва), Н И И прикладной математики и механики МГТУ им. Баумана (лаборатория дистанционного зондирования, С И . Ивашов), И З М И Р А Н (г. Троицк Московской 
области), СКБ И Р Э РАН «Классик» (г. Фрязино Московской 
области), Н И И П им. В.В. Тихомирова, О О О «ЛОГИС» (г. Раменское Московской области). Основные зарубежные фирмы-производители 
георадаров: GSSI (США), «Sensors and 
Software* (Канада), «Redifon» и «Ега Technology* (Великобритания), NTT (Япония), MALA (Швеция), «Radar Systems* 
(Латвия) и др. 

Не существует какого-то одного стандартного геофизического метода, способного во всех случаях быстро и качественно 
получить требуемую информацию о состоянии массива грунта. 
Во многих практических задачах геологоразведочных работ непосредственное исследование грунтового массива путём скважинной разведки оказывается невозможным или очень дорогостоящим. Поэтому является актуальным исследование и внедрение новых методов зондирования в практику проходки горных 

6 

выработок и тоннелей, в частности зондирования с помощью 
сверхширокополосных видеоимпульсных георадаров. 

Ряд направлений геологоразведочных работ и строительства, где использование георадаров является крайне необходимым, 
следующий: разведка и добыча кристаллосырья, опережающий 
контроль геомассива при проходке горных выработок, микротоннелирование, контроль автодорожного покрытия. 

Разведка и добыча кристаллосырья осложнены тем, что кристаллоносные полости и жилы встречаются в крепких вмещающих породах. Добыча путём взрывных работ может привести к 
разрушениям кристаллов или появлению в них микротрещин, 
что снижает их ценность или делает непригодными для промышленного использования. Поэтому крайне важно определять 
область залегания и размер кристаллоносной полости методами 
неразрушающего контроля. 

Использование георадара для опережающего контроля геомассива при проходке горных выработок, тоннелей и коллекторов позволит резко уменьшить затраты геологоразведочных работ и повысить безопасность проходки. В тех случаях, когда в 
кровле подземных выработок для поддержания вышележащих 
водонасыщенных пород оставляется защитная потолочина, георадар эффективно используется для контроля ее мощности. Необходимость постоянного зондирования впереди проходческого 
щита также связана с опасностью разрушения подземных коммуникаций, не нанесённых на геологические разрезы. При разрушении газопроводных или водопроводных труб, высоковольтных кабелей могут произойти серьёзные аварии с человеческими жертвами. 

Использование георадаров необходимо также в практике 
микротоннелирования. Зондирование позволит правильно спроектировать трассу, избежать возможных препятствий на пути 
микрощита, обнаружить трубы и другие коммуникации, предотвратив тем самым аварии и поломки микрощитового комплекса, 
материальный ущерб от которых может быть значительным. 

Актуально также применение георадаров для своевременного обнаружения зон разуплотнений под дорожным покрытием. 
Такие разуплотнения часто являются следствием размыва грунта прорванными водопроводными или водосточными коммуникациями. 

7 

Цель данного пособия — подготовить специалистов геофизиков и горных инженеров к работе с георадарами. В первом разделе пособия даётся самый необходимый набор сведений по теории георадиолокации. Во втором и третьем разделах даются рекомендации, позволяющие специалисту грамотно организовать 
работу по георадарному зондированию и правильно интерпретировать полученные результаты. Самой трудной задачей является 
интерпретация результатов зондирования. Опыт в интерпретации приходит к специалисту в течение нескольких лет практики. 
В четвёртом разделе изложен метод численного моделирования 
работы георадаров и приведены результаты такого моделирования. В пятом разделе пособия приводятся результаты практической работы с георадарами, проведённой в О О О «Геологоразведка». Пособие готовит специалиста к работе с георадарами при 
решении задач горного дела и подземного строительства. Как 
пример здесь рассмотрены георадары серии ТР-ГЕО, которые 
принадлежат к числу самых совершенных приборов для дистанционного радиозондирования грунта. 

Благодаря исследованиям и практической работе, проведённой О О О «Геологоразведка» и другими организациями, технология сверхширокополосного видеоимпульсного радиозондирования вышла за пределы лабораторий и стала неотъемлемой частью повседневной работы строителей. Технология зондирования георадарами является одним из признанных геофизических 
методов контроля состояния грунтов. 

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ 
И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ 

1.1. Особенности георадиолокации 
в сравнении с радиолокацией в воздушной среде 

Перечислим основные отличительные особенности георадиолокации в сравнении с радиолокацией воздушных целей [1]. 

1) Частотно-зависимое затухание в среде (п. 1.8). Среда действует на сигнал как фильтр нижних частот. Поэтому для обеспечения требуемой дальности зондирования необходимо понижать среднюю частоту спектра сигнала. Это ведёт к снижению 
разрешающей способности. 

2) Невозможность использования высоких частот — причина отказа от радиоимпульсов и переход к сверхширокополосным 
видеоимпульсам. При использовании радиоимпульсов с большим числом периодов в импульсе и низкой частотой сигналы 
имеют неприемлемо большую длительность, а радар — низкую 
разрешающую способность. В видеоимпульсах число полупериодов сокращается до 2—3, что увеличивает разрешающую способность и делает её приемлемой для практических целей. 

3) Использование низких частот означает совершенно другой подход к конструированию антенн для георадара и методике зондирования. В георадаре, работающем на среде с потерями, 
невозможно сильно повысить направленность излучения за счёт 
перехода на высокие частоты и использования направленных 
антенн или фазированных антенных решёток. Поэтому антенны 
неизбежно в большинстве случаев малонаправленные, а угловая 
разрешающая способность радара повышается путём применения синтезированной апертуры. 

4) Конструирование антенн. Антенны должны обеспечивать 
эффективную передачу энергии в грунт и как можно меньше в 
воздух. Обычно антенны располагают вплотную к поверхности 

9 

или на очень малом расстоянии от поверхности. Конструирование таких антенн имеет свою специфику. Так как антенны малонаправленные, возникает задача дополнительной экранировки 
антенн, чтобы избежать паразитного излучения назад, в сторону 
воздуха и в стороны, вдоль поверхности грунта. (В воздушной 
радиолокации имеется схожая проблема — подавление боковых 
лепестков в остронаправленных антеннах). Кроме того, антенны 
должны быть по возможности малочувствительны к неровностям поверхности и обеспечивать постоянство сигнала при сканировании. 

5) Если среда имеет значительные потери, метод синтезированной апертуры оказывается малоэффективным. При большом 
затухании среди всех возможных положений антенной системы 
сигнал будет наибольшим лишь в небольшом числе точек, ближайших к объекту зондирования. В других соседних положениях антенной системы он будет намного меньше и может маскироваться отражениями от других объектов или мешающими отражениями от объектов в воздухе. При большом затухании в среде 
невозможным является голографический метод зондирования. 

6) Сложность среды распространения и большее число типов распространяющихся волн. Грунт обычно состоит из чередующихся слоёв. Диэлектрическая проницаемость слоёв грунта, 
как правило, заранее неизвестна. Возможны кратные отражения 
между границами слоёв, между слоем и поверхностью грунта. 
В слоях с низкими потерями, расположенными между слоями с 
высокой проводимостью или влажностью, возможны волноводные типы распространения. Кроме пространственных волн происходит распространение боковых волн. 

7) Повышение рабочей частоты радара даже в средах с низкими потерями иногда невозможно по причине неровностей поверхности и неоднородностей диэлектрической проницаемости 
среды. 

8) Проблемы интерпретации получаемых изображений. Изза невысокой разрешающей способности изображение объектов 
в большинстве случаев оказывается размытым. Близкие друг к 
другу слои или границы раздела могут не различаться, а сигналы от более контрастных объектов могут маскировать следующие по времени слабые отражения от менее контрастных объектов. С другой стороны, в ряде случаев требуется не только обна
10 

Доступ онлайн
295 ₽
В корзину