Maatutka

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 24. maaliskuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 6 muokkausta .

GPR-esimerkkejä

Georadar  - tutka , jolle tutkittava väliaine voi olla maa, maaperä (tästä yleisin nimi), makea vesi, vuoret. Georadar on korkeataajuinen (10 MHz - 1000 MHz) menetelmä korkearesoluutioisille sähkömagneettisille aalloille, jolla saadaan kuvia maaperästä ja maan rakenteista. Antennia käytetään pulssigeneraattorin tuottamien tutkapulssien lähettämiseen ja palauttamiseen. Palautettu pulssi käsitellään sitten maaprofiilikuvien saamiseksi. Tärkeimmät geotekniset sovellukset ovat maaperän profiilikuvaus ja haudattujen esineiden paikantaminen. GPR tarjoaa jatkuvan resoluution kuvan maaprofiilista hyvin vähäisellä maaperän häiriöllä. GPR ei sovellu märille saville ja erittäin johtaville lieteille (0,15 milliohm/m). GPR-resoluutio pienenee syvyyden myötä [1] .

Georadar design

Nykyaikainen geotutka on monimutkainen elektroninen laite, jonka komponentit suorittavat seuraavat toiminnot:

• lähetysantennin lähettämien pulssien muodostuminen;
• vastaanottoantennista tulevien signaalien käsittely;
• koko järjestelmän synkronointi.

Geotutka koostuu siis kolmesta pääosasta: antenniosasta, rekisteröintiyksiköstä ja ohjausyksiköstä.

Antenniosa sisältää lähetys- ja vastaanottoantennit. Rekisteröintiyksikkö ymmärretään kannettavaksi tietokoneeksi tai muuksi tallennuslaitteeksi, ja ohjausyksikön roolia suorittaa kaapelijärjestelmä ja optis-sähkömuuntimet.

GPR-kehityksen historia

Georadarin kehitystyötä tehtiin Euroopan, Amerikan, Venäjän ja Neuvostoliiton eri maissa. Luonnollisissa olosuhteissa tehtyjen kokeiden perusteella tutkittiin menetelmiä erikoistutkien rakentamiseksi suhteellisen ohuiden, erittäin absorboivien väliaineiden luontamiseen. Antenniiskuvirityksen käyttö mahdollisti merijään sähköisten ominaisuuksien arvioinnin eri taajuuksilla. Ensimmäinen merijään paksuuden tutkamittaus suoritettiin vuonna 1971 M. I. Finkelsteinin vuonna 1969 ehdottamalla syntetisoidun videopulssisignaalin menetelmällä. Tätä menetelmää käytettiin ensimmäisessä teollisessa merijään paksuusmittarissa "Aquamarine".

Vuonna 1973 ilma-aluksesta todistettiin mahdollisuus havaita ja mitata pohjavesikerrosten syvyys Keski-Aasian autiomaa-alueilla. Käytimme RIIGA:ssa kehitettyä tutkaa, jossa antennin iskuviritys 50 ns kestoisilla pulsseilla ja spektrin keskitaajuudella noin 65 MHz. Luotaussyvyydeksi osoittautui yli 20 m lentokorkeudessa 200...400 m. Kalkkikivelle tehtiin vastaava työ vuonna 1974 , jäätyille kiville - vuonna 1975 .

On syytä korostaa aukon synteesimenetelmän käyttöä Apollo 17 - avaruusalukseen asennetussa tutkajärjestelmässä kuun pinnan tutkimiseen . Järjestelmää testattiin vuonna 1972 lentokoneesta Grönlannin jäätiköiden yläpuolella 50 MHz:n taajuudella pulssin kestolla lineaarisen modulaation taajuudella 80 µs (puristussuhde 128).

Geotutkan sarjanäytteet alkoivat ilmestyä 70-luvun alussa. Mutta kuten kokemus on osoittanut, tämä kehitys oli riittämätöntä. Materiaalien prosessoinnin työvoimakustannukset eivät maksaneet täysimääräisesti, ja kiinnostus GPR:ään laski jälleen. Kun 1990-luvulla tapahtui toinen tieteellinen ja teknologinen vallankumous ja henkilökohtaisten tietokoneiden saavutettavuus helpottui, kiinnostus GPR:ää kohtaan kasvoi jälleen eikä ole heikentynyt toistaiseksi.

1990-luvun lopulta lähtien tälle menetelmälle omistettuja tutkimuskonferensseja on pidetty säännöllisesti. Aikakauslehtien erikoisnumeroita julkaistaan.

Kuinka se toimii

Maanalaistutkat on suunniteltu tutkimaan dielektrisiä aineita muuttamalla dielektrisyysvakiota ja/tai sähkönjohtavuutta. Maatutkat ovat useimmiten käytössä maaperän suunnittelussa ja geoteknisessä tutkimuksessa sekä (ei-metallisten) rakennusrakenteiden rikkomattomassa testauksessa.

Useimpien nykyaikaisten geotutkien [2] toimintaperiaate on sama kuin perinteisten pulssitutkien . Tutkittavaan väliaineeseen säteilee sähkömagneettista aaltoa, joka heijastuu väliaineen osista ja erilaisista sulkeumuksista. GPR vastaanottaa ja tallentaa heijastuneen signaalin.

Tällä hetkellä useimmat massatuotetut tutkat voidaan ryhmitellä useisiin alatyyppeihin, jotka eroavat toimintaperiaatteiltaan:

• stroboskooppiset maatutkat: tällaiset tutkat lähettävät pääasiassa matalaenergiaisia, noin 0,1-1 μJ pulsseja, mutta melko paljon tällaisia ​​pulsseja lähetetään 40-200 tuhatta pulssia sekunnissa. Stroboskooppisen vaikutuksen avulla saat erittäin tarkan pyyhkäisyn - tutkakuvan ajoissa. Itse asiassa datan keskiarvon laskeminen valtavasta pulssien määrästä voi parantaa merkittävästi signaali-kohinasuhdetta. Samaan aikaan 0,1–1 μJ:n teho asettaa vakavia rajoituksia tällaisten pulssien tunkeutumissyvyydelle. Tyypillisesti tällaisia ​​tutkia käytetään luotaukseen 10 metrin syvyyteen asti. Joissakin tapauksissa "läpäisykyky" saavuttaa kuitenkin yli 20 metriä.

• heikkopulssitutkat: tällaiset tutkat lähettävät huomattavasti vähemmän kuin 500-1000 pulssia sekunnissa, jokaisen sellaisen pulssin teho on jo huomattavasti suurempi ja saavuttaa 100 μJ. Digitoimalla yksi piste kustakin sellaisesta pulssista eri siirrolla alusta alkaen, on mahdollista saada aika-alueen tutkagrammi ilman portitusta. Samanaikaisesti tällainen laite mahdollistaa noin yhden tutkagramman ottamisen sekunnissa eikä käytännössä salli keskiarvon käyttöä signaali-kohinasuhteen parantamiseksi. Näin voit vastaanottaa tutkagrammeja kymmenien metrien syvyyksistä, mutta vain erikoiskoulutettu asiantuntija voi tulkita tällaiset tutkakuvat.

• raskaat tutkat, joissa on antennidiversiteetti: tällaiset tutkat lähettävät vain muutaman pulssin sekunnissa, mutta pulssienergia saavuttaa 1-12 J. Tämän avulla voit parantaa merkittävästi geotutkan signaali-kohinasuhdetta ja dynaamista aluetta ja vastaanottaa heijastuksia monista syvistä kerroksista tai työstä raskaalla ja märällä maaperällä. Tutkagrammien käsittelyyn tarvitaan erityinen ohjelmisto, jonka tällaisten GPR-laitteiden valmistajat toimittavat GPR:n mukana. Tehokkaiden tutkien haittoja ovat biologisten kohteiden radioaltistumisen vaara ja merkittävä (jopa 2-3 metrin päässä pinnasta) "kuollut" alue. Raskaiden maatutkien aiheuttamasta biologisten kohteiden radioaltistamisesta on olemassa vaihtoehtoinen mielipide. Perinteinen geotutka kestää yhden tietueen useista laukaisuista (tämä johtuu signaalin digitalisoinnin ongelmista). Heavy duty - tekee vain muutaman laukaisun sekunnissa (tämä johti siihen, että näitä GPR:itä varten oli tarpeen kehittää signaalin digitointijärjestelmä, joka ei liity stroboskooppiseen muuntamiseen). Jos laskemme geotutkan lähettämän energian sekunnissa, käy ilmi, että tavallinen geotutka ampuu hyvin usein, mutta pieninä pulsseina. Ja raskas antaa suuren amplitudin impulssin, mutta tekee sen harvoin. Parametrien ero on sellainen, että toisessa tapauksessa vähemmän säteilyenergiaa putoaa biologiseen kohteeseen.

Kaikille edellä mainituille tutkatyypeille on mahdollista käyttää yhtä tai useampaa kanavaa. Tässä tapauksessa on ehdollisesti mahdollista jakaa kaikki nämä GPR:t useisiin muihin luokkiin:

• yksikanavaiset GPR:t: tällaisissa GPR:issä on yksi lähetin ja yksi vastaanotin, useimmilla GPR-valmistajilla on yksikanavaiset GPR:t.

• monikanavaiset GPR:t: tällaisissa GPR:issä on useita vastaanotin-lähetinpareja, joten geoprofiilin kartoitus jokaiselta kanavalta tapahtuu samanaikaisesti. Tällaiset järjestelmät ovat yleisiä monien ulkomaisten valmistajien keskuudessa, jotka ovat erikoistuneet tienpintojen geoprofilointiin. Tällainen järjestelmä sisältää itse asiassa useita yksikanavaisia ​​GPR:itä ja voi merkittävästi lyhentää profilointiaikaa. Tällaisten järjestelmien haittana on niiden tilavuus (ne ovat paljon suurempia kuin yksikanavaiset) ja korkea hinta.

• monikanavainen geotutka, jossa on synteettinen vastaanottoaukko: tämä on monimutkaisin geotutkatyyppi, jossa lähetysantennia kohden on useita vastaanottoantenneja, jotka on synkronoitu keskenään. Itse asiassa tällaiset GPR:t ovat vaiheistetun antenniryhmän analogeja. Tällaisten järjestelmien tärkein etu on paljon tarkempi kohteiden paikantaminen maan alla - itse asiassa ne toimivat stereonäön periaatteella, ikään kuin tutkalla olisi useita antennisilmiä. Tällaisten järjestelmien suurin haittapuoli on erittäin monimutkaiset laskenta-algoritmit, jotka on ratkaistava reaaliajassa, mikä johtaa kalliiden elektronisten komponenttien käyttöön, jotka perustuvat yleensä FPGA :ihin ja GPGPU :ihin . Tyypillisesti tällaisia ​​järjestelmiä käytetään vain raskaassa käytössä olevissa geotutkaissa, joissa on antennidiversiteetti. Samanaikaisesti tällaiset järjestelmät ovat melunkestävämpiä ja mahdollistavat tarkimman kuvan saamiseksi eristevakion jakautumisesta maan alla.

Georadar-sovellus

Georadar-mittaus on instrumentaalinen diagnostiikkamenetelmä, jolla tutkitaan rakennustyömaalla maaperää sekä erilaisten kohteiden perustuksia ja kantavia rakenteita. Georadar-tutkimus viittaa tuhoamattomiin menetelmiin ja mahdollistaa maaperän tai rakenteiden rakenteen määrittämisen ilman kaivojen ja reikien poraamista. Lisäksi GPR:n avulla voit havaita tyhjiä paikkoja ja teknisiä yhteyksiä maanpinnan alla.

Katso myös

• GPR

Kirjallisuus

• Maanalaiseen tutkaan liittyvät ongelmat. Ryhmämonografia / Toim. Grineva A. Yu. - M .: Radiotekniikka, 2005.-416 s.: ill. ISBN 5-88070-070-4
• Maanalainen tutka / Ed. Finkelstein M.I. - M .: Radio ja viestintä, 1994

Muistiinpanot

1. ↑ Budhu, M. (2011) Soil Mechanics and Foundation. 3. painos, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. katso luku 3.5.1 Maaperän tutkimusmenetelmät
2. ↑ [1] Arkistoitu 21. joulukuuta 2015 Wayback Machinessa  - periaatevideo

Linkit

• Maatutka (GPR) / Geologia 228/378 Soveltava ja ympäristögeofysiikka, Luento 14 
• Georadar-tutkimus perustuksista ja perustusmaista / Geotutkan käyttö rakentamisessa.

Georadar-kysely