Георадарне зондування зони аерації

Таким чином, за наслідками зондування необхідно оцінити три невідомі функції за наявності тільки АКФ сигналу, максимум якої розташовується на частоті, яка ними визначається. У дисертації запропоновано математичний алгоритм наближеної оцінки вказаних невідомих функцій, який грунтується на аналізі тонкої структури сигналів і ітераційних процедурах [12].

Початковою інформацією для вказаного алгоритму є інформація, що міститься в радіолокаційних зображеннях перерізу грунту, побудованих по низькочастотній і високочастотній частинах спектру зондуючого сигналу.

За наявності об'єкту в підповерхневому просторі ЗА, зображення останнього у вказаних частинах спектру будуть зсунутіі один щодо одного внаслідок залежності фазової швидкості поширення радіохвиль в шарі грунту від частоти. З аналізу цих зображень ми можемо визначити відношення глибини залягання верхньої межі об'єкту, визначеної з використанням високочастотної частини спектру зондуючого сигналу, до глибини, визначеної по низькочастотній частині спектру.

При цьому виключається невідоме значення істиної глибини залягання межі об'єкту. Вираз цього відношення отримано з застосуванням розкладання в ряд Тейлора формули, що визначає фазову швидкість поширення радіохвиль в шарі грунту [12]:

Отримавши оцінку функціональної залежності фазової швидкості поширення радіохвиль в шарі грунту за експериментальними даними, за допомогою рівняння (11) можна знайти функціональну залежність питомої провідності шару грунту від частоти і, отже, оцінити другу невідому функціональну залежність діелектричної проникності від частоти з відомого виразу для фазової швидкості поширення радіохвиль.

Для апроксимації фазової швидкості поширення радіохвиль в диспергуючому середовищі запропоновано наступний вираз, який є зручним для оцінки цієї функції безпосередньо за експериментальними даними:

У правій частині виразу (12) присутнє тільки одне невідоме значення, яке визначає положення на осі ординат кривої залежності фазової швидкості поширення радіохвиль від частоти.

Виходячи з викладеного, в дисертації запропоновано ітераційну процедуру оцінки функціональної залежності фазової швидкості поширення радіохвиль в шарі грунту і відповідних залежностей діелектричної проникності і питомої провідності від частоти. На практичних прикладах зондування показана ефективність цієї процедури для визначення глибини залягання різних об'єктів в підповерхневому просторі.

У завершальній частині розділу розглянуто можливості застосування параметричних спектральних методів оцінювання для збільшення роздільної здатності по глибині [13, 17, 19-21, 28, 29]. На прикладі практичного зондування показано, що ці методи можуть успішно застосовуватися при рішенні конкретних задач інженерної геології.

У шостому розділі проаналізовані методи моделювання електромагнітних полів поблизу поверхні грунту і під нею за наявності структурованої ЗА, на основі яких розроблено метод підвищення надійності інтерпретації результатів підповерхневого зондування.

Спочатку розглянуто можливості радіофізичного методу підповерхневого зондування при застосуванні елементарних диполів, розташованих на невеликій висоті над поверхнею грунту. Такий підхід знаходить широке застосування в практиці електромагнітного зондування при розв'язанні практичних задач геології.

Запропоновано простий за обчислювальними витратами метод розрахунку електромагнітних полів поблизу поверхні Землі при використанні рознесених передаючих і приймальних диполів, заснований на наближених імпедансних граничних умовах на поверхні шаруватої структури, аналогічних граничній умові Леонтовича [13, 24]. Показано, що при зміні несучої частоти зондуючого сигналу в заданому діапазоні частот можна ефективно виділяти сигнали, що відбиваються від меж шаруватої структури ЗА.

У дисертації детально досліджено просторова роздільна здатність методу, заснованого на вимірюванні крос-поляризаційних компонент електромагнітного поля поблизу поверхні грунту, що було однією з головних проблем цього методу.

Показано, що ефективна ширина просторового фільтру, яка визначає електричну складову електромагнітного поля по значеннях магнітної складової на поверхні Землі, визначається погонним загасанням хвиль в середовищі. При цьому роздільна здатність методу в горизонтальній площині визначається колом з центром в точці вимірювання радіусом, який дорівнює приблизно необхідній глибині зондування. Оцінку проведено методом розкладання електромагнітних хвиль, що збуджуються джерелами струму (наприклад, диполями), на спектральні компоненти ТЕ і ТМ елементарних мод з подальшим переходом до спектрального імпедансу електричного і магнітного типу. Основні принципи вимірювання поляризаційних складових електромагнітного поля викладено у [22].

Розділ закінчується обгрунтуванням чисельного методу кінцевих елементів в частотній області для розв'язання задачи визначення електромагнітних полів, збуджених системою елементарних диполів в обмеженому структурованому просторі ЗА.

У сьомому розділі за допомогою методу кінцевих елементів в частотній області досліджено особливості електромагнітних полів, що збуджуються антеною георадара, розташованою в безпосередній близькості від поверхні Землі, зокрема, оцінено ефективну діаграму спрямованості антени в підповерхневому просторі ЗА, а також досліджені особливості полів за наявності локальних неоднорідних об'єктів в середовище ЗА [24]. Наприклад, показано, що фазовий фронт хвилі за об'єктом спотворюється по-різному залежно від того, оптично більше або менше щільним є об'єкт в порівнянні з навколишнім середовищем. Наведено експериментально отримані результати зондування, які підтверджують цей ефект і те, що він може використовуватися для оцінки фізичних властивостей об'єкту. Зокрема, ступінь викривлення плоскої межі між шарами різного літологічного складу, розташованою безпосередньо за об'єктом, пропорційна ступеню відмінності його електричних характеристик від навколишнього середовища, що може використовуватися для їх визначення за даними радіолокаційного зондування. Наведено результати моделювання електромагнітних полів в обмеженому просторі ЗА за наявності в ньому конкретних об'єктів [23, 24]. Оцінка параметрів цих полів складає практичний інтерес при інженерних геологічних дослідженнях. Зокрема, на прикладі визначення довжини паль під інженерними спорудами розроблено метод поліпшення надійності інтерпретації результатів практичного георадіолокаційного зондування шляхом їх порівняння з результатами, отриманими чисельним методом кінцевих елементів в частотній області. Причому представлення результатів моделювання робиться практично в тій же формі, в якій вони виходять після обробки сигналів на виході приймача георадара. На рис. 9 наведено приклад розрахунку електромагнітних полів в обмеженому просторі ЗА із заданою конфігурацією, в якій розташована паля, а на рис. 10 - результат обчислення спектру сигналу, перший максимум якого відповідає відбиванню від кінця палі, при скануванні несучої частоти в діапазоні частот 100 МГц, що ілюструє можливості методу кінцевих елементів в частотній області для підтвердження результатів радіолокаційного зондування (пунктирна лінія відноситься до ситуації з гострими краями обмеженого простору).

У восьмому розділі наводиться декілька результатів практичного підповерхневого зондування, отримані при виконанні конкретних інженерних геологічних досліджень з використанням розробленої експериментальної моделі георадара “Скануючий георадар”, а саме:

1. Експериментальні радіолокаційні дослідження по визначенню довжин паль під існуючими будівельними спорудами. Ця задача інженерної геології була розв'язана методом радіолокаційного підповерхневого зондування, оскільки розв'язати її стандартними методами, наприклад, за допомогою шурфів завглибшки близько 11 м практично неможливо.

2. Зондування ЗА з метою картографування глибини залягання просторової конфігурації слабо-контрастних шарів (рівень грунтових вод, лінз з рідкими нафто-продуктами). Експерименти проводились: на ділянці поблизу колишнього військового аеродрому (сел. Лебедин, Сумська обл.), де гідрогеологічною службою УкрНДІІНТВ м. Суми була виявлена лінза з авіаційним гасом, розташована на глибині близько 7...8 метрів (на рівні грунтових вод); на території будівництва культурного центру у м. Суми, що знаходиться в зоні підтоплення, де основним завданням було визначення рівня грунтових вод у верхніх шарах ЗА, так званої верховодки, що є сильно зволоженим шаром, розташованим на порівняно слабо проникній межі (водотривкій межі шару з малими значеннями коефіцієнта фільтрації); на території колишнього військового аеродрому у Глухівському районі Сумської області, де завданням зондування було картографування просторової конфігурації лінзи. У всіх випадках було проведено порівняння радіолокаційних результатів з даними контрольно-наглядових свердловин.

3. Результати зондування зсувних структур. Можливості застосування георадарного зондування стосовно таких задач інженерної геології, пов'язаних з визначенням структури грунту зсувів, були проілюстровані на прикладі території Генуезької фортеці в м. Судак, схильної до зсувних процесів. Були розв'язані задачі: визначення просторової конфігурації і потужності зсуву; визначення лінії ковзання зсуву; визначення просторової конфігурації літологічних шарів грунту на території фортеці; визначення порожнеч і ущільнень грунту як природного, так і штучного походження;

4. Зондування на території заповідника Софія Київська. Вирішувалися наступні завдання інженерної геології: визначення просторової конфігурації глибини залягання верховодки (зони підвищеного зволоження шарів грунту внаслідок техногенних витоків і природних опадів); визначення просторової конфігурації залягання літологічних шарів грунту на території Софії Київської; визначення порожнин і ущільнень грунту, обумовлених наявністю підземних ходів; визначення конфігурації і глибини залягання фундаменту під собором.

ВИСНОВКИ

Сукупність результатів експериментальних і теоретичних досліджень, проведених в дисертаційній роботі є новим напрямком розвитку радіофізичних методів підповерхневого зондування, а саме діагностики стану зони аерації (визначення геоморфологічної структури, вологості шарів, виявленню окремих неоднорідностей як природного, так і штучного походження та ін.) стосовно розв'язання задач інженерної геології. Раніше з цією метою використовувалися стандартні геофізичні методи електророзвідки, які не дозволяють отримувати потрібну роздільну здатність по глибині і оцінювати фізичні властивості порід ЗА. Для розвитку цього напряму розроблено радіофізичний метод діагностики середовища зони аерації з використанням експериментальної моделі георадара „Скануючий георадар”, методика і математичні алгоритми обробки сигналів, що дозволяють виділяти інформацію про фізичні властивості шарів і окремих неоднорідних об'єктів в ЗА. За допомогою вказаного георадара виконано великий цикл польових вимірювань, який проводився в рамках виконання конкретних інженерно-геологічних досліджень, а результати порівнювалися з даними, отриманими стандартними методами, які використовувались при цих дослідженнях.

Основні результати, отримані в роботі, зводяться до наступних.

1. Розроблено радіофізичний метод підповерхневої діагностики зони аерації з урахуванням сильної частотної дисперсії фазової швидкості поширення і загасання радіохвиль їв ї середовищі на основі використання покрокового зміну несучої частоти сигналу радіолокаційного зондування. Метод дозволяє вивчати фізичні характеристики шарів ЗА та окремих неоднорідностей як природного, так і штучного походження.

2. Розроблено комплексну радіофізичну модель ЗА, в якій, задаючи будову і конфігурацію шарів, можна отримати розподіл вологості по глибині при заданих рівнях грунтових вод і продуктивності опадів. При цьому використовуються чисельні методи розв'язання нелінійних рівнянь фільтрації при заданих параметрах шарів і граничних умов. Отриманий розподіл вологості по глибині ЗА перераховується у відповідний розподіл діелектричної проникності і питомої провідності із застосуванням радіофізичної моделі, що описує залежність цих параметрів від вологості, літологічного складу порід, ступеня мінералізації і т.п. Показано, що скачки діелектричної проникності на межах шарів можуть досягати десятків одиниць за рахунок відповідних стрибків вологості. Окрім цього модель дозволяє досліджувати насичення шарів ЗА рідкими нафтопродуктами, що дає можливість після відповідного перерахунку в електричні характеристики, отримати їх розподіл по глибині. Вказана комплексна модель ЗА є основою для моделювання радіофізичних ефектів, пов'язаних з поширенням радіохвиль в шарах ЗА і їх відбиття від різного роду неоднорідностей, розташованих в цій зоні.

3. Вперше досліджено частотні залежності електричних характеристик (діелектричній проникності і питомій провідності) основних порід грунтів ЗА (суглинок і пісок) залежно від ступеня насичення вологою і рідкими нафтопродуктами. Дослідження проведено спочатку в лабораторних умовах із застосуванням стандартних процедур визначення літологічного складу порід, поруватості, вологості та ін. Показано, що насичення пір рідким нафтопродуктом істотно змінює їх електричні характеристики (зміни діелектричній проникності можуть досягати десятка одиниць, а питомій провідності - в 2 - 3 рази) за рахунок перерозподілу вологи навколо частинок грунту. Потім аналогічні дослідження було проведено в умовах, наближених до природних, в спеціально обладнаному натурному модулі (лізимитрі) з використанням спеціально розроблених датчиків при зміні рівня грунтових вод і насиченні певних шарів рідким нафтопродуктом. Це дозволило дослідити динаміку зміни електричних характеристик в умовах, близьких до природних, і обгрунтувати можливість використання радіофізичних методів виявлення і картографування шарів, насичених рідким нафтопродуктом в результаті різного роду техногенних аварій, на рівнях грунтових вод.

4. Розроблено і виготовлено експериментальну модель георадара “Скануючий георадар”, яка дозволяє вимірювати не тільки амплітудну, але й фазову структуру сигналів, відбитих від різних об'єктів в підповерхневому просторі ЗА. Вказана властивість з'явилася завдяки реалізації зондуючого сигналу з покроковою зміною його несучої частоти (ПЗНЧ) та нових принципів, закладених в структурну схему і реалізованих в діючій моделі георадара. Завдяки цим якостям вдалося реалізувати нові математичні алгоритми обробки сигналів, яки дозволяють розв'язувати зворотні задачі - отримувати інформацію про фізичні властивості шарів і окремих об'єктів ЗА безпосередньо за результатами зондування. Зокрема, у акті, наданому Сумським філіалом Українського науково-дослідного і виробничого інституту інженерно-технічних і екологічних досліджень “УкрНДІІНТВ”, зазначено збіжність результатів зондувань радіофізичним приладом “Скануючий георадар” підтоплених територій в X-XII мікрорайонах м. Суми з даними гідрогеологічних досліджень.

5. Детально досліджені спотворення сигналів, що виникають при зондуванні в середовищах з частотною дисперсією електричних характеристик за рахунок залежності затухання і фазової швидкості поширення від частоти. Показано, що внаслідок цього автокореляційна функція зондуючого сигналу практично повністю „розпливається” при зондуванні в реальних середовищах на глибинах більш 5 - 7 м з застосуванням ширини спектру зондуючого сигналу більш 100 МГц. Вперше розроблено нові математичні алгоритми обробки сигналів для корекції цих спотворень відбитих сигналів, що базуються на оцінках частотної залежності загасання і фазової швидкості поширення радіохвиль в шарі грунту від частоти, що дозволило повністю реалізувати потенційну роздільну здатність зондуючого сигналу.

6. На основі ітераційних методів розв'язання нелінійних сингулярних інтегральних рівнянь, виведених виходячи з теореми Крамерса-Кроніга, розроблено нові математичні алгоритми відновлення функціональних залежностей електричних характеристик порід грунту, фазової швидкості поширення радіохвиль і їх загасання від частоти, а також глибини меж шарів і окремих неоднорідних об'єктів безпосередньо за даними радіолокаційного зондування. Крім використання цих оцінок для корекції спотворень сигналів, що виникають за рахунок частотної дисперсії середовища, частотні залежності електричних характеристик шарів грунту є основою для відтворення їх фізичних властивостей. Хоча вказані задачі є математично некоректними, розроблені ітераційні методи дозволяють отримувати цілком прийнятну точність при реконструкції електричних характеристик шарів за рахунок пошуку в багатовимірному просторі параметрів таких їх значень, які відповідають фізичній реалізуємості оцінюваних частотних залежностей.

7. Детально досліджено можливості радіофізичних методів зондування ЗА з використанням рознесених передаючих і приймальних диполів, з застосуванням вимірювання крос-поляризованих компонент електромагнітного поля поблизу поверхні Землі. Показано, що при зміні частоти зондуючого сигналу у часі за лінійним законом або з ПЗНЧ можливе виділення інформації про відбиття від меж шаруватої структури ЗА. Запропоновано простий за обчислювальними витратами метод розрахунку електромагнітних полів поблизу поверхні Землі при використанні рознесених передаючих і приймальних диполів, який заснований на наближених імпедансних граничних умовах на поверхні шаруватої структури, аналогічних граничним умовам Леонтовича. Детально досліджено просторову роздільну здатність методу, заснованому на вимірюванні крос-поляризаційних компонент електромагнітного поля поблизу поверхні грунту, що було однією з головних проблем цього методу. Показано, що її можна оцінити виходячи з уявлення про просторовий фільтр, який визначається спектральним імпедансом електричного і магнітного типу, отриманих методом розкладання електромагнітних хвиль на спектральні компоненти ТЕ і ТМ елементарних мод. При цьому в горизонтальній площині роздільна здатність визначається приблизно необхідною глибиною зондування, що у багатьох випадках задовольняє практичним вимогам.

8. На основі чисельних методів розв'язання рівнянь Максвела в обмежених областях простору, зокрема, методом кінцевих елементів в частотній області, розроблено електродинамічні моделі поширення і розсіяння радіохвиль неоднорідностями підповерхневої структури ЗА, що дозволяють отримувати результати у формі, близькій до форми представлення результатів при зондуванні з використанням реального георадара. Метод істотно розширює можливості правильної інтерпретації результатів георадарного зондування, а в деяких випадках є єдино можливим методом підтвердження правильності результатів зондування. На практичному прикладі розв'язання інженерно-геологічної задачі визначення довжини паль під існуючими спорудами проведено порівняння результатів зондування, отриманих з використанням георадара, з розрахунковими результатами вказаним чисельним методом, що підтверджую його ефективність.

9. Експериментально, на основі численних польових вимірювань, проведених з використанням “Скануючего георадара”, підтверджено ефективність запропонованого радіофізичного методу підповерхневого зондування для вирішення практичних завдань при інженерно-геологічних дослідженнях. Серед вказаних задач були наступні: визначення просторової конфігурації, товщини і поверхонь ковзання обвалів (зокрема, на території заповідника Генуезької фортеці, м. Судак), картографування підповерхневих зон скупчення рідких нафтопродуктів (лінз) на територіях колишніх військових аеродромів в Сумській обл., картографування рівня грунтових вод під територією автомобільного заводу в м. Тольятті, діагностика ступеня обводнення і цілісності дамби ставка-накопичувача шахтних вод в м. Кривий Ріг, картографування рівня зон підтоплення (верховодки) під територією заповідника “Софія-Київська” та ін. Практично всі вказані вимірювання супроводжувалися стандартними методами інженерно-геологічних досліджень, результати яких дозволили підтвердити ефективність розробленого радіофізичного методу підповерхневого зондування.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сугак В.Г. Восстановление электрических характеристик грунта и глубины залегания объектов по результатам подповерхностного зондирования // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр./ НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова.-Харьков.- 2002.- Т. 7, №3.- С. 491 - 497. (Англомовна версія: Reconstruction of Electrical Constants of Soil and Depth of Subsurface Objects Using Data of Subsurface Sounding // Telecomunication and Radio Engineering.- 2003.- v. 59, №1&2.- P.54-63).

2. Сугак В.Г., Кузьмин В.В., Куранов Н.П. Восстановление электрических характеристик слоев грунта и глубины залегания их границ по результатам радиолокационного подповерхностного зондирования // Проблемы инженерной геоэкологии (ДАР/ВОДГЕО).-М.: 2002.- Вып. 4.- С. 50 - 60.

3. Кузьмин В.В., Сугак В.Г. К возможности радиофизического мониторинга верхней подповерхностной структуры Земли // Радиофизика и радиоастрономия.- 1997.- Т. 2, №3. - С. 224 - 280. (Англомовна версія: On the Possibility of a Radiophysical Monitoring of the Earth's Subsurface Structure.// Telecommunications and Radio Engineering.- 1998.-Vol.52, No7.- P. 94-100.).

4. Sugak V.G. Experimental Results of Radar Sounding of Subsurface Oil-Polluted Areas // Radiophysics and Quantum Electronics.- Springer, New York .- 2002.- Vol. 45.- No 9.- P. 691-698.

5. Сугак В.Г., Кузьмин В.В., Бухарин К.Л. Экспериментальная проверка возможности использования георадиолокаторов для картографирования границ залегания зон подповерхностных загрязнений в виде линз с нефтепродуктами // Сборник трудов. “Проблемы инженерной геоэкологии (ДАР/ВОДГЕО).- М.: 2002.-Вып. 3. - С. 49 - 56.

6. Сугак В.Г., Кириченко В.А. Экспериментальные результаты радиолокационного зондирования подповерхностных зон, загрязненных нефтепродуктами // Изв.ВУЗов. “Радиофизика”.- 2002.- Т. XLV, № 9 С. 757 - 765.

7. Букин А.В., Педенко Ю.А., Овчинкин О.А., Силаев Ю.С., Сугак В.Г. Использование георадиолокатора для определения уровня грунтовых вод и картографирования территорий, загрязненных нефтепродуктами // Сб. научн. тр. ИРЭ НАН Украины. Радиофизика и электроника.- Харьков.- 2005. - Т.10, №2.- С. 240 - 247.

8. Букин А.В., Педенко Ю.А., Овчинкин О.А., Силаев Ю.С., Сугак В.Г. Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии // Наука та інновації / науково-практичний журнал НАН України.- Київ: Видавничий дім "Академперіодика".- 2005. - Т.1, №2. - С. 32 - 43.

9. Кузьмин В.В., Сугак В.Г. Опыт картирования скоплений свободных нефтепродуктов в грунтах на основе радиолокационного зондирования. Cб. трудов НИИ ВОДГЕО “Гидротехника и Инженерная Гидрогеоэкология”.- Выпуск 6.- Москва/ - 2004.- С. 84 -92

10. Овчинкин О.А., Сугак В.Г. Влияние электрических свойств грунта на характеристики сигнала при подповерхностном зондировании // Радиофизика и электроника. Сб. научн. тр. ИРЭ НАН Украины.- Харьков.- 2001.- 6, - № 2-3.- С. 235 - 241. (Англомовна версія: The Influence of Soil Electric Properties upon the Ground-penetrating Radar (GPR) Signal Characteristics // Telecommunications and Radio Engineering. - 2002.- Vol.57, No 10&11.- P.101-109.)

11. Сугак В.Г. Электрические характеристики грунтов, пропитанных нефтепродуктом // Украинский метрологический журнал.- 1997.- С. 49 - 52.

12. Сугак В.Г. Особенности обработки сигналов при подповерхностном радиолокационном зондировании в диспергирующей среде // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. ИРЭ НАН Украины. - Харьков, 2006.- Т.11, №3.- С.385-392.

13. Сугак В.Г. Метод повышения точности локализации границ неоднородностей при подповерхностном зондировании // Cб. научн. трудов ИРЭ НАН Украины: "Радиофизика и электроника".- 1998. - T.3, №3.- C. 78-82.( Англомовна версія: Improving the Accuracy of Determining the Boundaries of an Object in Subsurface Sensing.// Telecommunications and Radio Engineering.- 1999.-Vol. 53, No3.- P.94-100.)

14. Сугак В. Г. Оценка возможности обнаружения подповерхностных слоистых неоднородностей при зондировании с поверхности Земли // Изв. Вузов. Радиофизика.- 1997.- Т.XL, N8.- С. 952 - 964.

15. Пат. № 68520А України, МПК G01 V 3/12. Способ подповерхностного радиолокационного зондирования: Пат. № 68520А України, МПК G01 V 3/12/ Дорохова Л.Н., Кузьмин В.В., Куранов Н.П., Сугак В.Г. -№2003065633, Заявл. 18.06.2003; Опубл. 18.06.03, Бюл. № 8

16. Пат. № 61650А України, МПК G01 V 3/12, G01 S 13/02. Пристрій під поверхневого радіолокаційного зондування: Пат. № 61650А України, МПК G01 V 3/12, G01 S 13/02 Дорохова Л.М., Сугак В.Г., Чернишов С.І. - № 2003032473, Заявл. 21.03.03, Опубл. 17.11.2003, Бюл № 11.

17. Сугак В.Г. Оценка разрешения по глубине применительно к радиолокаторам подповерхностного зондирования // Радиофизика и радиоастрономия.- 1998.- T.3, №2.- С.130 - 136. (Англомовна версія: Estimation of the Depth Resolution for a Ground Penetrating Radar.// Telecommunications and Radio Engineering.- 1999.-Vol. 53, No 9-10.- P.131-139).

18. Kulemin G.P., Zerdev N.G., Sugak V.G., Harchenko T.N. Detection of Soil Erosion by the Double-Polarization Radar Method // Telecommunications and Radio Engineering. - 1998.- Vol.52, №3.- P.53 - 61.

19. Сугак В.Г., Усик П.В. Экспериментальная оценка возможностей метода парных импульсов при спектральных исследованиях радиолокационных отражений.// Радиофизика и радиоастрономия.- 1999.- T.4, №4.- С.323 - 330.

20. Разсказовский В.Б., Сугак В.Г. Особенности спектров радиолокационных отражений от ветровых волн при высоком разрешении по частоте // Радиотехника и электроника.- 1996.- т. 41,-№5.-С.543-547.

21. Абрамов А.Д., Разсказовский В.Б., Сугак В.Г. Алгоритм обнаружения полезного сигнала на фоне помеховых ображений от водной поверхности // Сб. научн. тр. ИРЭ НАН Украины. - Харьков.- 1993.- С. 18-22.

22. Ав. Св. 1735944 СССР, Разделитель поляризации / Сугак В.Г. и др.- №4478346; Заявлено 18.08.88; Опубл. 22.01.92, Бюл. N 1.

23. Сугак В.Г., Овчинкин О.А., Сугак А.В. Интерпретация результатов георадиолокационного подповерхностного зондирования в условиях отсутствия априорных данных // Сб. научн. тр. ИРЭ НАН Украины. - Харьков.- 2005.- Т.11, №1.- С. 78 - 86.

24. Сугак В.Г. Особенности структуры электромагнитных полей вблизи границы раздела сред при наличии неоднородных объектов // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. ИРЭ НАН Украины.- Харьков.- 2004. - Т.9, №2.- С.392 - 399.

25. Сугак В.Г. Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. ИРЭ НАН Украины. - Харьков. - 2007.- Т.12, №1.- С.185-191.

26. Сугак В.Г. Восстановление электрических характеристик грунта и глубины залегания объектов по результатам подповерхностного зондирования // 1-й Международный радиоэлектронный форум “Прикладная Радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ - 2002. Сб. научн. тр. Часть 1.- Харьков: АН ПРЭ, ХНУРЭ. 2002.- С. 326-328.

27. Сугак В.Г., Овчинкин О.А. Исследование структурных и электрических характеристик подповерхностных неоднородностей в верхних слоях грунта с помощью георадара // 2-й Международный радиоэлектронный форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития ” МРФ-2005. Сб. научн. тр. Том 2. Международная конференция “Системы локации и навигации”.-Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ.- 2005.- С. 373 - 376.

28. Сугак В.Г. Увеличение разрешения по глубине при радиофизических подповерхностных зондированиях // II Международная научн.-технич. конф. “Метрологическое обеспечение в области электрических и магнитных радиоизмерений” (Метрология в электронике - 97).- Харьков.- 1997.- С. 168 - 170.

29. Kirichenko V.A., Kulemin G.P, and Sugak V.G. Frequency-Temporal distributions of Radar-Returns from Sea Surface in X-and Ka-bands // Proc. of Third Int. Kharkov Symp. 'Physics and Eng. of Millimeter and Submillimeter Waves, Kharkov, Ukraine, 1998.- Sept. 15-17.- P. 517-519.

30. Abramov A., Sugak A., Sugak V. High order spectral estimation methods in ground penetrating radar applications // Proc. Of Sixth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves and Workshop on Teraherts Technologies, MSMW'07, Kharkov, Ukraine, 2007.- v. 2.- P. 855-857.

АНОТАЦІЯ

Сугак В.Г. Георадарне зондування зони аерації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, м. Харків, 2007.

У дисертаційній роботі розроблено радіофізичний метод діагностики фізичного стану грунту зони аерації (ЗА) на глибинах до 25-30 м з роздільною здатністю близько декількох десятків сантиметрів на основі зондуючого сигналу з покроковою зміною його несучої частоти. Розроблено комплексну радіофізичну модель ЗА, що дозволяє отримувати розподіл електричних характеристик її шарів. Вперше експериментально досліджено залежності електричних характеристик типових порід шарів ЗА від ступеня насичення рідкими нафтопродуктами, які дозволили обгрунтувати можливість застосування радіофізичного методу підповерхневого зондування для картографування просторової структури шарів, забруднених в результаті несанкціонованих витоків нафтопродуктів. Детально досліджено спотворення сигналів, що виникають в середовищах з частотною дисперсією фазової швидкості радіохвиль і їх затухання, якою є ЗА. Запропоновано нові математичні алгоритми обробки сигналів, що дозволяють компенсувати ці спотворення і реалізувати всю потенційну роздільну здатність цього сигналу. Вперше розроблено математичні алгоритми відтворення залежностей електричних характеристик шарів ЗА від частоти безпосередньо за даними підповерхневого зондування. Розроблено і виготовлено експериментальну модель георадару, за допомогою якої виконані численні польові вимірювання при виконанні завдань інженерної геології з порівнянням отриманих результатів з даними контрольних наглядових свердловин. На основі чисельного методу кінцевих елементів в частотній області розроблено метод розрахунку електромагнітних полів в обмеженому просторі ЗА з представленням результату у формі, аналогічній формі представлення результатів при практичному георадарному зондуванні.

Ключові слова: електромагнитні хвилі, георадар, радіолокатор підповерхневого зондування, електричні характеристики порід, частотна дисперсія, фазова швидкість, загасання радіохвиль.

Сугак В.Г. Георадарное зондирование зоны аэрации. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика.- Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, г. Харьков, 2007.

В диссертационной работе разработан радиофизический метод зондирования и диагностики физического состояния грунта зоны аэрации (ЗА) на глубинах до 25-30 м с разрешающей способностью порядка нескольких десятков сантиметров на основе применения зондирующего сигнала с пошаговым изменением его несущей частоты (ПИНЧ). Разработана комплексная радиофизическая модель ЗА, позволяющая на основе численного метода решения уравнений фильтрации влаги и зависимости электрических характеристик пород от влажности, степени минерализации, литологического состава и пр. практически для любых ее структур получать вначале распределение влаги по глубине ЗА, а затем соответствующее распределение электрических характеристик ее слоев.

Впервые экспериментально исследованы зависимости электрических характеристик типовых пород слоев ЗА от степени насыщения жидкими нефтепродуктами при разной влажности, которые позволили обосновать возможность применения радиофизического метода подповерхностного зондирования на основе зондирующего сигнала с ПИНЧ для картографирования пространственной структуры таких слоев, загрязненных в результате экологических последствий техногенных аварий. Исследования были проведены в лабораторных условиях на образцах пород с точно известными характеристиками и затем в условиях, приближенных к натурным, в специальном модуле, оснащенном датчиками, пьезометрами и дренажной системой для изменения условий насыщения пород влагой и жидким нефтепродуктом.

Детально исследованы искажения зондирующих сигналов, возникающих в средах с частотной дисперсией фазовой скорости радиоволн и их затухания, каковой является ЗА. Показано, что эти искажения приводят к “расплыванию” автокорреляционной функции зондирующего сигнала и, как результат, к полной потере разрешающей способности зондирующего сигнала на глубинах более 5м. Предложены новые математические алгоритмы обработки сигналов применительно к зондирующему сигналу с ПИНЧ, позволяющие скомпенсировать указанные искажения и, в результате, реализовать всю потенциальную разрешающую способность этого сигнала, определяемую его шириной спектра.

Впервые разработаны математические алгоритмы восстановления зависимостей электрических характеристик слоев ЗА от частоты непосредственно по результатам подповерхностного радиолокационного зондирования на основе итерационных процедур численного решения нелинейных сингулярных интегральных уравнений, связывающих между собой указанные зависимости с оценками аналогичных зависимостей фазовой скорости или затухания радиоволн. Эти алгоритмы позволили существенно увеличить точность определения глубины залегания различного рода неоднородностей в подповерхностном пространстве ЗА и выйти на оценку их физических свойств непосредственно по результатам зондирования. На основе указанных математических алгоритмов и экспериментальных исследований разработана и изготовлена экспериментальная модель радиолокатора подповерхностного зондирования “Сканирующий георадар”, с помощью которой выполнены обширные полевые измерения при выполнении конкретных задач инженерной геологии со сравнением полученных результатов с данными контрольно наблюдательных скважин.

На основе численного метода конечных элементов в частотной области разработан метод расчета электромагнитных полей в ограниченном пространстве ЗА. С помощью этого метода исследованы особенности электромагнитных полей вблизи поверхности раздела и под ней, которые позволили предсказать ряд эффектов, возникающих при проведении практического зондирования с использованием экспериментальной модели георадара. Метод позволяет представлять результаты расчета в форме, которая близка к форме их представления при проведении практического зондирования с помощью указанной модели георадара. Это позволило существенно увеличить точность определения глубины залегания различных объектов в подповерхностном пространстве ЗА и повысить надежность правильной интерпретации результатов зондирования при решении конкретных задач инженерной геологии.

Ключевые слова: электромагнитные волны, георадар, радиолокатор подповерхностного зондирования, электрические характеристики пород, частотная дисперсия, фазовая скорость, затухание радиоволн.

Sugak V.G. Georadar sensing of аn aeration zone. - Manuscript.

Thesis for а physic-mathematical Doctor's degree in specialty 01.04.03 - radiophysics.- Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of the NAS of Ukraine, Kharkov, 2007.

In the dissertation, the radiophysical method of sensing and diagnostic of soil condition of а zone of aeration (ZA) is developed on the basis of application of the Stepped Frequency Continuous Wave (SFCW) probing signal. On the basis of a numerical method of solving of moisture filtrating equations and of model of electrical constants of soils the complex radiophysical model of ZA is developed. The model allows to obtain a distribution of electric constants of layers of a ZA on depth. For the first time the dependences of electric constants of typical soils of ZA layers upon а degree of saturation by liquid mineral oil are experimentally investigated. It has been proved an opportunity of application of the radiophysical method for mapping of a spatial structure of layers polluted by liquid mineral oil.

Distortions of the probing signals arising in a medium with frequency dispersion of radiowaves phase speed and their attenuation was investigated in details. New mathematical algorithms of processing of signals are proposed, which allows to compensate the distortions and, as a result, to provide all potential resolution of the probing signal. For the first time the mathematical algorithms of reconstruction of functional dependences of electric constants of ZA layers upon frequency obtained directly from ground penetrating radar results was developed. The experimental model of georadar was developed. A lot of field measurements are executed at performance of some tasks of engineering geology with comparison of the received results with the data of boreholes. On the basis of the Finite Element Method in frequency area the method of solving of electromagnetic fields in the limited space is developed. It allows to obtain results in the form which is similar to its representation at practical georadar sensing.

Key words: electromagnetic waves, georadar, ground penetrating radar, soil electrical constants, frequency dispersion, phase velocity, radiowaves attenuation factor.

Размещено на Allbest.ru