Георадар - радіолокатор, який на відміну від класичного, використовується для зондування досліджуваного середовища, а не повітряного простору. Досліджуваної середовищем може бути земля (звідси найбільш поширена назва - георадар), вода, стіни будівель і т. п.

1. Конструкція георадара

Сучасний георадар являє собою складний геофізичний прилад, створюваний при дотриманні певних технологій. Основний блок складається з електронних компонентів, виконують такі функції: формування імпульсів, випромінюваних передавальною антеною, обробка сигналів, що надходять із прийомної антени, синхронізація роботи всієї системи. Таким чином, георадар складається з трьох основних частин: антеною частини, блоку реєстрації і блоку управління. Антенна частина включає передавальну і приймальну антени. Під блоком реєстрації розуміється ноутбук або інше записуючий пристрій, а роль блоку управління виконує система кабелів і оптико-електричних перетворювачів.

2. Історія розвитку георадара

Розробка георадар велася в Ризькому інституті інженерів цивільної авіації (РІІГА) починаючи з 1966. На основі експериментів в натуральних умовах досліджувалися методи побудови спеціалізованих радіолокаторів для зондування порівняно тонких високопоглощающіх середовищ. Використання ударного збудження антени дозволило оцінити електричні характеристики морського льоду на різних частотах. Вперше радіолокаційне вимірювання товщини морського льоду проведено в 1971 за допомогою запропонованого М. І. Фінкельштейном в 1969 метода синтезованого відеоімпульсні сигналу. Цей метод застосований у першому промисловому радіолокаційному вимірнику товщини морського льоду "Аквамарин".

В 1973 з борту літака була доведена можливість виявлення і вимірювання глибини водоносних шарів в пустельних районах Середньої Азії. Використовувався розроблений в РІІГА радіолокатор з ударним збудженням антени імпульсами тривалістю 50 нс з центральною частотою спектра близько 65 МГц. Глибина зондування виявилася вище 20 м при висоті польоту літака 200 ... 400 м. Аналогічні роботи були проведені для вапняків в 1974, для мерзлих порід - у 1975.

Слід вказати на використання методу синтезування апертури в радіолокаційної системі, встановленої на борту космічного корабля " Аполлон-17 ", для дослідження поверхні Місяця. Система була випробувана в 1972 з борту літака над льодовиками Гренландії на частоті 50 МГц при тривалості імпульсу з лінійною частотою модуляції 80 мкс (коефіцієнт стиснення 128).

Серійні зразки георадар почали з'являтися на початку 70-х років. У середині 80-х інтерес до георадіолокаціі зріс у зв'язку з черговим стрибком у розвитку електроніки і обчислювальної техніки. Але, як показав досвід, це розвиток виявилося недостатнім. Трудовитрати на обробку матеріалів не змогли окупитися в повній мірі, і інтерес до георадіолокаціі знову впав. У 90-ті роки, коли відбулася чергова науково-технічна революція, і персональні комп'ютери стали більш доступні, інтерес до георадіолокаціі знову зріс і не послабшав до цих пір.

З кінця 90-х років регулярно проводяться науково-дослідні конференції, присвячені цьому методу. Видаються спеціальні випуски журналів.

3. Принцип дії

Радари підповерхневого зондування призначені для вивчення середовищ-діелектриків по зміні діелектричної проникності та / або електропровідності. Найчастіше георадари застосовуються для інженерно-геотехнічного обстеження грунтів та неруйнівного контролю (неметалевих) будівельних конструкцій.

Принцип дії більшості сучасних георадар той же, що й у звичайних імпульсних радарів. У досліджувану середу випромінюється електромагнітна хвиля, яка відбивається від розділів середовищ і різних включень. Відбитий сигнал приймається і записується георадар.

В даний час більшість серійно вироблюваних радарів можна згрупувати в декілька підтипів, які відрізняються основними принципами функціонування:

• стробоскопические георадари: такі радари випускають переважно імпульси з невеликою енергією, близько 0.1-1 мкДж, але таких імпульсів випускається досить багато 40-200тисяч імпульсів в секунду. Використовуючи стробоскопічний ефект можна отримати дуже точну розгортку - радарограмму в часі. Фактично усереднення даних з величезного числа імпульсів дозволяє істотно поліпшити відношення сигнал / шум. У той же час, потужність в 0.1-1 мкДж накладає серйозні обмеження на глибину проникнення таких імпульсів. Зазвичай такі радари використовують для глибин зондування до 10 метрів. Однак, в окремих випадках "пробивна" здатність досягає понад 20 метрів.

• слабоімпульсние радари: такі радари випускають істотно менше 500-1000 імпульсів в секунду, потужність кожного такого імпульсу вже істотно вище і досягає 100мкДж. Оціфровивая в кожному такому імпульсі одну точку з різним зсувом від початку, можна отримати радарограмму у часовій області без стробування. У той же час такий апарат дозволяє знімати близько однієї радарограмми в секунду і практично не дозволяє використовувати усереднення для поліпшення відношення сигнал / шум. Це дозволяє отримувати радарограмми з глибин у десятки метрів, але трактувати такі радарограмми може тільки спеціально навчений фахівець.

• надпотужні радари з рознесеними антенами: такі радари випускають тільки кілька імпульсів в секунду, але енергія імпульсу досягає 1-12 Дж. Це дозволяє значно поліпшити відношення сигнал / шум і динамічний діапазон георадара і отримувати відбиття від багатьох глибинних шарів - аж до кілометрової глибини - або працювати на важких і вологих грунтах. Для обробки радарограмм потрібне спеціальне програмне забезпечення, яке виробники таких георадар звичайно поставляють таке програмне забезпечення в комплекті з георадар. До недоліків потужних радарів можна віднести небезпека радіооблученія біологічних об'єктів і значну (до 2-3 метрів від поверхні) "мертву" зону. Існує альтернативна думка з питання радіооблученія біооб'єктів надпотужними георадар. Звичайний георадар знімає один запис за безліч запусків (це пов'язано з проблемами оцифровки сигналів). Надпотужний - робить усього кілька запусків в секунду, (це призвело до того, що для цих георадар довелося розробляти систему оцифровки сигналів не пов'язану зі сторобоскопіческім перетворенням). Якщо підрахувати випромінювання геоарадаром енергію за секунду, вийде що звичайний георадар стріляє дуже часто, але невеликими імпульсами. А надпотужний видає великий за амплітудою імпульсу, але робить це рідко. Різниця параметрів така, що в другому випадку на біооб'єктів падає менше випромінювань енергії.

Для всіх перерахованих вище типів радарів є можливість використання одного або декількох каналів. У цьому випадку умовно можна розділити всі ці георадари на ще кілька класів.

• одноканальні георадари: в таких георадар є один передавач і один приймач, більшість компаній виробників георадар мають одноканальні георадари.

• багатоканальні парні георадари: в таких георадар є кілька пар приймач-передавач, так що зйомка Геопрофиль з кожного каналу відбувається одночасно. Такі системи поширені у багатьох зарубіжних виробників, які спеціалізуються на геопрофілірованіі дорожніх покриттів. Така система фактично містить кілька одноканальних георадар і дозволяє в рази зменшити час профілювання. Недоліком таких систем є громоздскость (вони в рази більше одноканальних) і висока вартість.

• багатоканальні георадари із синтезованою приймальні апертурою: це найбільш складний тип георадар, в якому на одну випускає антену доводиться кілька приймалень, які синхронізовані між собою. Фактично такі георадари являють собою аналог фазованою решітки. Основною перевагою таких систем є набагато більш чітке позиціонування об'єктів під землею - фактично вони працюють за принципом стерео зору, як якщо б у радара було б кілька очей-антен. Основним недоліком таких систем є дуже складні обчислювальні алгоритми, які необхідно вирішувати в реальному часі, що призводить до використання дорогих електронних компонент, зазвичай на основі FPGA і GPGPU. Зазвичай такі системи застосовуються тільки в надпотужних георадар з рознесеними антенами. У той же час, такі системи більш перешкодостійкість і дозволяють отримувати найбільш точну картину розподілу діелектричної проникності під землею.