Теория и практика георадиолокации : руководство по лабораторно-практическим занятиям и самостоятельной работе

Москва 2023

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра физических процессов горного производства 
и геоконтроля

В.В. Набатов

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 
ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ

Руководство по лабораторно-практическим занятиям 
и самостоятельной работе

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4771

УДК 550.8(075.8)
 
Н13

Р е ц е н з е н т ы :
канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории 
геоинформационных систем геотехнологий ИПКОН РАН А.П. Аверин

Набатов, Владимир Вячеславович.
Н13  
Теория и практика георадиолокации : руководство 
по лабораторно-практическим занятиям и самостоятельной 
работе / В.В. Набатов. – М. : Издательский 
Дом НИТУ МИСИС, 2023. – 74 с.

Руководство содержит теоретический материал и практические 
задания, которые выполняются в программе обработки 
данных георадара «ОКО-2». Материал соответству-ет программе 
дисциплин «Теория и практика георадиолокации» и «Горная 
геофизика» и может быть использован для проведения занятий 
по этим дисциплинам. Практические задания, содержащиеся 
в пособии, подходят для проведения как лабораторных, так и 
практических занятий. Приведены задания для самостоятельной 
работы студентов.
Для 
студентов 
направления 
(специальности) 
21.05.05 
(131201) «Физические про-цессы горного или нефтегазового производства».


УДК 550.8(075.8)

 В.В. Набатов, 2023
 НИТУ МИСИС, 2023

Содержание

Тема № 1. Основные понятия георадиолокации  . . . . . . . . . 4
1.1 Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Затухание электромагнитных волн в среде . . . . . . . . . . 7
1.3 Диэлектрическая проницаемость как основной 
параметр среды в георадиолокации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Влияние на результаты обследования частоты 
излучения и длинны волны  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Диаграмма направленности, 
прямая волна, воздушные помехи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 Форма георадиолокационного видеоимпульса . . . . . . 17
1.7 Анализ отдельной трассы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Тема № 2. Основы полевой работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Разметка георадиолокационных профилей  . . . . . . . . 26
2.3 Привязка георадиолокационных профилей . . . . . . . . 29
2.4 Нанесение результатов привязки 
на геоподоснову . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Тема № 3. Визуализация амплитудных значений 
на радарограммах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1 Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 Работа с визуализацией типа 
«отрисовка сигналом» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Работа с визуализацией типа 
«переменная плотность» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1 Управление контрастностью радарограммы  . . . 50
3.3.2. Управление яркостью радарограммы  . . . . . . . . 57

Тема № 1. Основные понятия 
георадиолокации

Цель: получить общее представление о методе георади-
олокации, освоить основные понятия метода.

1.1 Общие сведения

Георадиолокация – геофизический метод, состоящий 
в испускании в геосреду электромагнитной волны (импульса) 
радиочастотного диапазона и регистрации ее отражений 
от различных объектов в геосреде. При этом используются 
частоты от десятков до тысяч мегагерц. В отличие от радиоизлучения, 
используемого при передаче информации, а также 
для локации объектов в воздушном и космическом пространстве, 
сигналы георадаров:
 - не модулируются, поскольку модуляция повышает 
частоту, что приводит к повышенному затуханию сигнала 
в грунтах;
 - имеют импульсную природу, что приводит к расширению 
спектра сигнала (так называемое сверхширокополосное 
излучение).

Задачей георадиолокации является определение наличия 
и расположения объектов под землей, а также оценка 
свойств среды. В качестве объектов могут выступать границы 
геологических слоев; локальные объекты как технической (
трубы, коллекторы, фундаменты зданий и т.п.), так 
и естественной (валуны) природы; области загрязнения, 
увлажнения и разуплотнения грунта (в частности, области 
карстообразования, засыпанные свалки, места разлива нефти 
и т.п.).
Испускание и прием волны производится с помощью 
двух антенн: излучающей и приемной. Излучающую и приемную 
антенны объединяют в комплекс (антенный блок), 
который перемещают по поверхности вдоль прямой линии 
(профиля), в каждой точке излучая и принимая электромаг-

нитные сигналы (рисунок 1.1). Георадар представляет собой 
антенный блок, объединенный в целостную систему с регистрирующей 
и обрабатывающей электромагнитные сигналы 
аппаратурой.

Рисунок 1.1 – Общая схема работы метода 
георадиолокации: А, Б, В, Г – слои массива 
пород; И – испускающая антенна; 
П – приемная антенна

Отрезок времени, в течение которого записываются 
сигналы с принимающей антенны, называется окном развертки. 
Набор колебаний, локализованный во времени и 
пространстве, присущий волне одной природы, принято называть 
волновым пакетом. На рисунке 1.2 волновые пакеты 
выделены серыми прямоугольниками.
Процесс измерения происходит следующим образом. 
На испускающую антенну подается импульс, в этот же момент 
открывается временное окно (начало окна развертки). 
Прибор начинает регистрировать все приходящие на него 
электромагнитные колебания: волновые пакеты, отраженные 
от объектов в массиве пород; волновые пакеты, отражен-

ные от надповерхностных объектов; прямой сигнал по воздуху 
от испускающей антенны и прочие. Через некоторое 
время, превосходящее время двойного пробега волны до самой 
глубокой достижимой цели в массиве, временное окно 
закрывается (конец окна развертки). Записанный в одной 
точке профиля подобный сигнал называют георадиолокаци-
онной трассой. Пример одной записанной трассы представлен 
на рисунке 1.2. Длительность трассы равна временной 
длительности окна развертки. При обработке полученный 
последовательный ряд трасс выстраивают друг за другом, 
получая волновое поле, называемое радарограммой.

Рисунок 1.2 – Георадиолокационная трасса

При распространении в массиве волна отражается 
от контрастных объектов и слоев. При этом волна частично 
отражается, а частично проходит дальше отражающей границы, 
и будет уже отражаться от нижележащих границ. 
Так, на рисунке 1.1 граница АБ является отражающей, 
в результате часть энергии волнового процесса возвращается 
в верхнее полупространство, однако часть проходит ниже и 
отражается уже от границы БВ.
Все отраженные импульсы, которые не затухнут при 
возвращении к поверхности, будут приняты приемной антенной. 
При этом для того, чтобы волновой пакет был виден 
в регистрируемых данных, нужно, что бы его амплитуда 
была выше, чем уровень собственных шумов оборудования 
плюс потери на процессы преобразования в антенне и пр.
Точку отражения обычно привязывают к середине гео-
радара. На рисунке 1.1 расстояние от антенны до точки отражения 
образует гипотенузу прямоугольного треугольника. 
Другими словами, пробег волны несколько длиннее глубины 
hАБ, на которой находится точка отражения. Однако расстояние 
hАБ обычно существенно больше, чем расстояние от антенны 
до центра георадара l. Поэтому описывавшаяся гипотенуза 
и катет hАБ почти равны. В связи с этим их разницей 
пренебрегают.

1.2 Затухание электромагнитных 
волн в среде

Распространяясь по массиву, электромагнитная волна 
испытывает уменьшение своей амплитуды, что связано с таким 
процессом, как затухание. Основными причинами затухания 
являются расширение фронта волны, наведение волной 
токов в массиве (чем больше проводимость массива, тем 
больше затухание), отражение от встречающихся на пути 
волны границ и рассеяние на неоднородностях.
Расширение фронта можно проиллюстрировать с помощью 
рисунка 1.3. При распространении электромагнит-

ной волны в каждый последующий момент (t1, t2, t3) времени 
энергия волны должна быть распределена на все большей 
поверхности фронта. Это приводит к тому, что амплитуда 
в конкретной точке этого фронта будет все меньше.

Рисунок 1.3 – Сферическое расширение фронта 
и его влияние на затухание: И – испускающая 
антенна; П – приемная антенна

Причину затухания, связанную с отражением от границ, 
можно проиллюстрировать с помощью рисунка 1.1. 
Граница АБ является отражающей, в результате часть энергии 
волнового процесса отражается в верхнее полупространство. 
Однако часть энергии проходит ниже и отражается уже 
от границы БВ. При этом второму отражению при возвращении 
к поверхности, во-первых, придется пройти большее 
расстояние по массиву, во-вторых, на его пути встретится 
граница БА и часть энергии этого импульса отразится вниз. 
В результате амплитуда отражения от границы АБ будет 
больше амплитуды отражения от границы БВ. В конце концов, 
может так получиться, что отражение от границы ВГ 

дойдет до принимающей антенны настолько ослабленным, 
что станет ниже собственных шумов аппаратуры и будет потеряно. 
Таким образом, возникает ограничение по максимальной 
глубине, с которой отраженный сигнал может быть 
зарегистрирован (так называемая глубинность метода).
Важно также понимать, что на максимальную глубину 
будет влиять не только затухание в среде, но и то, какая 
часть энергии сигнала отразится от той или иной границы. 
Это условие определяется контрастом по параметру среды, 
под которым в георадиолокации понимают диэлектрическую 
проницаемость.

1.3 Диэлектрическая проницаемость 
как основной параметр среды 
в георадиолокации

Электромагнитная волна распространяется в среде, 
отражаясь от неоднородностей. Необходимым условием отражения 
является существенное изменение (контраст) электрических 
свойств массива на ней. Характеристикой электрических 
свойств массива в георадиолокации является 
диэлектрическая проницаемость , представляющая собой 
комплексное число:

 =  + j,

где  – действительная часть ; j – мнимая единица; 
 – мнимая часть, описывающая проводимость среды и как 
следствие затухание сигнала. 

Плавное изменение  на границе приведет либо 
к слишком малоамплитудному, либо к отсутствующему отражению 
на границе. 
Наибольшее воздействие на коэффициент отражения 
оказывает действительная часть диэлектрической проницаемости, 
которая описывает понижение скорости распространения 
электромагнитной волны в среде:

0
å
e
C
C
'

,

где Ce – скорость электромагнитной волны в среде; C0
скорость электромагнитной волны в вакууме (скорости в вакууме 
и в воздухе принимаются равными).

Так, например,  воды равна 81. Это означает, что 
скорость электромагнитной волны в ней в 9 раз меньше, чем 
в вакууме. Диэлектрическая проницаемость бетона зависит 
от специфики его изготовления и составляет от 2 до 10, т.е. 
электромагнитная волна в бетоне распространяется в 1,5–
3,0 раза медленнее, чем в вакууме.

Рисунок 1.4 – Отражение электромагнитных 
волн: И – испускающая антенна; П – приемная 
антенна; 1  4  5  2; 2  3

На рисунке 1.4 проиллюстрирован пример поведения 
электромагнитной волны при различном контрасте электрических 
свойств на границе. Если 1  4, то в этом случае 
волна, проходя через объект 1, не отразится от него: объект 1 
не будет виден на радарограмме. В то же время разница 1 и 
5 приведет к появлению отраженной волны, которая будет 
зарегистрирована приемной антенной: объект 2 будет виден 
на радарограмме. 
Примерно такой же смысл имеет разница электрических 
свойств слоев массива. На рисунке 1.4 слой 1 и слой 2 
имеют контраст электрических свойств. Однако между слоями 
2 и 3 контраст электрических свойств незначителен. Эта 
граница не вызовет появление отраженной волны и «отбита» 
не будет.
Границы между водой, воздухом, металлом и грунтовым 
массивом обычно достаточно контрастны по диэлектрической 
проницаемости и могут давать хорошие отражения. 
Границы между слоями пород могут быть и хорошими 
по контрасту, и слабо контрастными. Вода из-за высокой 
способна сильно влиять на изменение коэффициентов отражения 
и скорости электромагнитных волн. При этом, поднимаясь 
вверх благодаря капиллярному эффекту, вода может 
создавать плавное изменение  и снижать контрастность 
границ [1]. По характеру изменения коэффициента отражения 
можно отследить изменение ситуации вдоль границ. 
В результате можно отличить области границ, вблизи которых 
есть пустоты, разуплотнения, зоны увлажнения, и области, 
где эти нарушения отсутствуют.
От оценки значений  объектов на пути волны существенно 
зависит оценка глубины залегания исследуемого 
объекта в массиве. Если  одной из областей массива будет 
задан неверно, это приведет к ошибочной оценке глубины. 
Приблизительные значения  оценивают по таблицам при 
условии, что известно, из каких пород сложен исследуемый 
массив. Для более конкретных оценок, соответствующих 
реальным обследуемым массивам, либо используют ряд