Георадар своими руками

Исследователи, поисковики и просто охотники за археологическими сокровищами — это особая порода людей. Часто их упрекают в меркантильности, но едва ли только жаждой наживы можно объяснить такое стремление к исследованию тайн прошлого. Для того чтобы найти несколько монет, которые могут и стоить-то всего ничего, приходится тяжело и упорно трудиться, вкладывать кучу денег в технику и оборудование. О некоторых видах такого оборудования мы поговорим сегодня.

Что такое георадар

Говорят, что можно исследовать почву любого состава на глубине до ста метров просто голыми руками. У эзотериков есть своя теория на этот счёт и, возможно, она имеет право на жизнь и может эффективно работать. Но поскольку современный человек привык во всем полагаться в основном на технику, то и исследования грунта опираются пока в основном только на технические средства.

Для поиска металлов существуют самые разнообразные металлодетекторы, однако начиная с середины 70-х годов прошлого века на рынки вышел, правда в очень ограниченном количестве, георадар. Это современный технологичный прибор, который способен зондировать, то есть проводить недеструктивный мониторинг любой среды, независимо от её химического состава и физического состояния. Это может быть как вода, лёд, песок, бетон, камень, грунты абсолютно разных видов и другие моногамные среды.

Где применяют георадары

Сфера применения георадара чрезвычайно широка, но его развитие и популярность были очень нестабильны в разное время. Дело в том, что когда в 70-х годах георадар только вышел из лабораторных стен, он привлёк к себе пристальное внимание. Позднее, лет десять устройство было не востребовано, поскольку технологии не позволяли реализовать весть его потенциал. В 80-е годы снова наблюдался некоторый всплеск интереса к устройству в связи с развитием микропроцессорной электроники, но она не в силах была обработать тот массив данных, который выдавал георадар.

Наконец, последние несколько лет компьютерные технологии позволили с горем пополам справляться с той уникальной информацией, предоставляемой прибором и главное, люди научились её использовать. Начали появляться устройства не только для широкого применения, но и узкоспециализированные приборы:

георадары для работы в скважинах и шахтах;

приборы для дефектоскопии поверхностей;

георадары для строительных работ;

устройства для постройки и планировки автомобильных дорог.

Причём, все эти изыскания проходят с высочайшей степенью точности.

Цена и принцип действия устройства

Не каждый кладоискатель сможет позволить купить такое устройство. Цена отечественного георадара ОКО составляет от 5 до 15 тысяч евро, а импортные приборы могут стоить и за 30-50 тысяч, так что особой популярностью у публики устройство пока пользоваться не может. Естественно, встанет вопрос о том, как собрать георадар своими руками. К сожалению, реализация такого сложного проекта пока не под силу большинству инженеров, а тем более, кустарным мастерам.

Дело в том, что георадар состоит из нескольких основных блоков:

1. Передающей и приёмной антенны.
2. Блок приёма и обработки информации.
3. Оптоэлектрические преобразователи, которые и составляют самую большую сложность в изготовлении.

Принципиальная схема георадара представлена на картинке ниже и по ней можно судить о сложности каждого из её элементов.

Принцип работы георадара основан на отражении волн предметами самого разного состава и в самых разных средах. К примеру, обычный глубинный металлоискатель может обнаружить металлы на относительно небольшой глубине и с очень невысокой степенью точности. На способность прибора обнаружить металлический объект сильно влияет металлизация почвы и уж совсем не стоит говорить о способности металлоискателя обнаруживать полости, пещеры, подземные хода, подлёдные пустоты.

Основные элементы устройства

Одним из основных элементов георадара считается антенный блок. В зависимости от частоты, с которой он работает, он может зондировать совершенно разные глубины. Существуют модели антенных блоков комбинированные. Они позволяют за один проход сканирования разреза получить информацию о профиле как на большой глубине залегания (до 25 метров), так и получить данные высокого разрешения о верхних слоях разреза. Чем ниже частота антенного блока, тем глубже проводится сканирование. При высокочастотном сканировании получают информацию о слое до двух метров, при этом частота излучения составляет от 900 до 2500 МГц.

Без программного обеспечения, способного анализировать полученные данные, применение прибора бессмысленно. Именно поэтому в состав георадара входят мощные и компактные вычислительные модули со специальным программным обеспечением. Вся информация о результатах зондирования выводится в реальном времени на экран ноутбука или специальный монитор. Во время сканирования выполняется полная визуализация полученных данных и составляется трёхмерная модель зондируемого участка. Благодаря такой возможности устройства стало просто определить координатное положение труб, пустот, кабелей и других объектов в грунте и в воде.

Безусловно, георадар — это профессиональное устройство, которое базируется не только на сложнейшей технике, но и на не всем доступных данных о почвах, без которых ПО не может работать корректно. Так что кладоискателям придётся несколько десятков лет подождать, пока устройство станет доступнее или же внимательно читать эзотерическую литературу, которая, кстати, также не слишком доступна.

Работа с Георадаром

РАБОТА С ГЕОРАДАРОМ

Что означает сокращение GPR?

• Ground Penetration Radar – Георадар
• Под словом ground может подразумеваться земля, почва, грунт, камень, бетон, дерево, или обобщенно – любая среда не из металла.

Георадар:

• Излучает импульсы в среду обследования.
• Принимает и записывает отраженные импульсы.
• Строит изображение на основе полученных эхо-сигналов.

Частоты георадаров

• 250MHz – центральная частота, глубина проникновения (2,5-15) метров.
• 500MHz— центральная частота, глубина проникновения (1 -8) метров.
• 1000MHz – центральная частота, глубина проникновения (0,25-4) метра.

Как работает георадар? T – передатчик, R – приемник. Передатчик излучает радиочастотный сигнал Приемник принимает, отраженные от объектов и неоднородностей в среде обследования. На экране отображаются время задержки и интенсивность эхо-сигнала. Время прихода отраженных сигналов измеряется в миллиардных долях секунды

Что можно увидеть на георадаре и в чем трудность обучения работы с ним? Actual – фактический объект GPR Record – отображение на экране георадара Вы должны учиться правильно читать это изображение. Вам нужна практика. В отдельных случаях георадар просто нельзя применять и нужно знать ограничения.

Что нужно помнить при работе с георадаром:

• Реальные условия работы сильно отличаются от идеальных (модельных), на которых проверяется работа прибора.
• Запись сигналов содержит большое количество информации.
• Даже эксперты в области георадаров могут ошибаться в интерпретации результатов.
• Интерпретация результатов контроля обследования зависит от контекста (одно и то же изображение можно интерпретировать по-разному, в зависимости от места, среды обследования…)

Аналогия с эхолотом

Принцип работы георадара напоминает принцип работы эхолота – прибора для поиска рыбы и зондирования дна водоема.

Эхолот отображает глубину водоема

Некоторые модели эхолотов показывают местонахождение рыбы в виде метки на экране

Современные модели эхолотов могут отображать контуры рыбы, а не только метку. И это делается только благодаря известному заранее контексту.

Работа эхолота Посылает ультразвуковой импульс. Сигнал отражается от рыбы. Сигнал отражается от дна водоема. В одной записи сигнала имеется две метки.

Запись информации в эхолоте

По мере продвижения лодки происходит сбор информации и отображение последовательных записей (меток) на экране. Результат выглядит, как показано на картинке.

Использование цвета при построении изображений

Современные технологии позволяют строить цветные изображения с использованием микропроцессоров и цветных ЖК мониторов. При этом получаем очень наглядное представление об объектах. В георадарах используются те же самые технологии отображения информации.

Какие трудности возникают при работе с георадаром?

Земля (почва, грунт) – более сложная среда, нежели вода. Рукотворные объекты (фундаменты, дороги, трубопроводы и др.) обычно имеют сложную структуру. Некоторые объекты могут почти не отражать сигнал Некоторые грунты поглощают все сигналы. Нужно помнить о «контексте».

Интерпретировать изображения, полученные георадаром, это всё равно, что интерпретировать изображения, полученные эхолотом:

• При наличии в водоеме целого косяка рыб.
• В болоте, с большим количеством затопленных деревьев (корней, веток и др.).
• В море, полном водорослей.
• При попытке обнаружить медуз, которые в воде практически прозрачны для ультразвука.

Пример записанных сканированных данных.

Где Оси координат: Time Axis – ось времени; Position Axis – ось положения георадара на поверхности. Signal Amplitude – амплитуда сигнала.

Позиционирование георадара

Выглядит просто по сравнению с другими факторами

• Данные должны собираться через одинаковые расстояния по поверхности.
• Данные, полученные георадаром, поддаются интерпретации, когда они собраны вдоль прямой линии.
• Изображения, собранные вдоль прямых линий хорошо имитируют вертикальные срезы обследуемой среды (объекта).

Как Смарт Карт (тележка) помогает позиционированию георадара?

Одометр подает управляющий сигнал на Георадар для сбора данных через одинаковые расстояния на поверхности, даже если скорость перемещения по поверхности непостоянная.

• Сбор данных не происходит при остановке тележки.

Для чего используется информация о времени?

Сигналы, воспринимаемые георадаром проходят расстояние от генератора до объекта, отражаются от него, доходят до приемника и им воспринимаются.

• С увеличением расстояния время, затрачиваемое на прохождение данного расстояния, увеличивается.
• Георадары измеряют время прохождения сигнала, причем очень точно.
• Георадар записывает амплитуду сигнала в привязке ко времени прихода сигнала.
• Записанное время используется для вычисления глубины залегания отражателя.
• В Георадаре используется таймер, позволяющий измерять время с пикосекундной точностью.

Как рассчитывается глубина

Для получения данных о глубине необходимо знать скорость распространения сигнала

• Скорость зависит от материала.
• Скорость распространения сигнала может быть измерена или оценена.

Path length – длина пути;

Time delay – временная задержка (сигнала)

Length – путь; Speed – скорость.

Итого: Глубина = скорость * время / 2

Скорость в различных материалах

Воздух	0.30 м/нс
Лёд	0.16 м/нс
Сухой грунт	0.15 м/нс
Сухой камень	0.12 м/нс
Сырой грунт, влажный камень	0.10 м/нс
Бетон, асфальт	0.10 м/нс
Влажный грунт	0.06 м/нс
Вода	0.033 м/нс

К вопросу об определении глубины На рисунке приведено изображение, полученное от закопанной трубы Вершина гиперболы располагается на отметке 29 нс. Во время калибровки было известно, что скорость в среде составляет 0.10 м/нс. Следовательно, глубина равна 0.10х29/2= 1.45 м

Вид экрана

Об амплитуде сигнала

Георадар излучает сигнал. Сигнал характеризуется амплитудой и формой. Амплитуда это параметр, отражающий величину сигнала. Эхо сигнал (отраженный сигнал) от объекта всегда меньше излученного сигнала.

О форме сигнала

Идеальным сигналом можно назвать сигнал, в виде очень короткого импульса Электронные приборы не могут излучать идеальные импульсы Реально получаемый сигнал представляет собой импульс, определенной длительности, с изменяющейся амплитудой Сигналы, излучаемые георадаром, должны быть недетектированными (т.е. иметь как положительную, так и отрицательную полуволну) со средним нулевым значением Форма сигнала также часто называется «форма волны»

Форма и амплитуда отраженных сигналов

• Форма отраженного сигнала примерно такая же, как и форма излученного
• Отраженные сигналы всегда меньше по амплитуде, чем излученные.

Снова об амплитуде сигнала

• От амплитуды сигнала зависит, можно ли определить объект в среде обследования.
• Если амплитуда отраженного сигнала слишком мала (на уровне шума, помех)- скорее всего такой объект определить нельзя.
• Амплитуда отраженного сигнала зависит от размера, геометрии и материала объекта, а также расстояния до него.Noise– шум, помеха

Глубина зондирования зависит от конкретных условий

Амплитуда, принимаемых георадаром сигналов, зависит от материала обследуемой среды

• Почва (например, ил, глина) поглощает электромагнитные волны
• Пески и гравий это примеры подходящих для обследования георадарами сред
• Соленая вода является непрозрачной средой для георадара

Где: clay – глина; silt – ил; sand – песок

Глубина зондирования

Типовые значения глубины зондирования для различных сред

Вид экрана георадара при зондировании закопанной трубы

Обследование проводилось георадаром 250, диаметр трубы 15 см Глубина залегания трубы 1.3 метра Грунт – сухой песок Информация собрана на длине 5 метров (поперек расположения трубы) Излучение импульса осуществлялось каждые 5 см Гипербола на экране представляет собой трубопровод Диапазон развертки по оси времени (глубине) 50 наносекунд.

Почему труба не выглядит как труба?

На экране георадара мы видим псевдоизображение того, что находится под исследуемой поверхностью

• Найденные объекты отображаются в виде гипербол
• Георадар посылает сигналы во всех направлениях
• Эхосигналы принимаются с любых направлений
• Наиболее близко к поверхности объект расположен в месте, где обнаружена вершина гиперболы
• Форма гиперболы помогает определить точную глубину залегания объекта

Последовательность формирования изображения

Почему на экране георадара (на изображении) столько много полос?

В необработанной информации имеется информация о реальной форме принятого сигнала. Георадарный сигнал осциллирует (колеблется) 1 – 3 цикла. Каждый полуцикл осцилляции вносит в изображение свою полосу. Сигнал георадара имеет 1.5-2 цикла, что дает 3-4 полосы на изображении. Интенсивность и цвет изображения зависит от амплитуды (силы) сигнала. Пересечение сигналом нулевого уровня амплитуды дает отсутствие сигнала и определяет место, где на изображении появляются полосы

Что означают цвета на изображении?

Связывать различные амплитуды сигнала с различными цветами – это обычная практика построения карты (изображения) обследуемой среды (объекта). При использовании цвета человеческий глаз легко может уловить даже небольшие изменения в изображении. Иногда удобнее иметь черно-белое изображение, с оттенками серого цвета, например, при работе снаружи т.к. цветной компьютер имеет неудовлетворительную видимость.

Свойства трубопровода и кабеля (с точки зрения применения георадара)

surface – поверхность

depth – глубина

diameter – диаметр

composition – состав

metallic – металл

plastic – пластик

concrete – бетон

Влияние диаметра на выявляемость

Глубина (футы) Соотношение 1:10, 1:20

Влияние материала на отражательную способность трубопровода

Pipe Reflectivity – Отражательная способность: Water in Non-metal – Неметаллическая труба, заполненная водой; Gas in Non-Metal – Неметаллическая труба, заполненная газом.

Заключение

• Изображение, полученное георадаром, несет информацию об амплитуде сигнала.
• Обычно, горизонтальная ось на изображении – это местоположение георадара на поверхности, вертикальная ось – это ось времени, время – это реальная величина, которая измеряется георадаром.
• Для определения глубины залегания отражателя необходимо знать скорость распространения импульса в материале среды обследования.
• Амплитуда сигнала на изображении представлена: либо цветом; либо интенсивностью (оттенками серого).
• Обнаруженные объекты (такие как труба и т.д.) обычно появляются на изображении в виде гиперболы.