1. Введение

Простая прогулка, например по городскому парку, может оказаться увлекательнейшим занятием, если видеть недоступные обычному глазу скрытые объекты. Уровень современных георадаров позволяет наблюдать скрытый мир под ногами, а именно подземные сооружения, тоннели, ходы, коммуникации и даже клады. Современные георадары – сложные в освоении, неповоротливые и очень дорогие приборы. В статье речь идет о новой разработке – удобном и простом в освоении георадаре скрытого пользования.

Для начала, немного теории. На георадар возлагаются две основные задачи. Первая задача георадара состоит в том, чтобы направить электромагнитное излучение вглубь земли. Для этого в георадаре имеются передатчик для формирования сигнала на передачу и антенна – для излучения электромагнитных волн в землю. Далее, распространяясь в земле, такие электромагнитные волны встречают неоднородности (камни, трубы коммуникаций, воду и тд). Неоднородностями принято обозначать объекты, отличающиеся от земли по величине диэлектрической проницаемости. Встречая на своем пути неоднородности, часть мощности сигнала переотражается в сторону георадара, часть проходит далее – вглубь (рис. 1). Причем, доля отраженной энергии (R) тем выше, чем выше контраст (разница) в диэлектрической проницаемости земли и неоднородности (K1 и K2), и определяется формулой:

Так, контраст между землей (К1 ~ 5-50) и металлом (К2 = ∞) является наибольшим, в связи с чем доля энергии сигнала, отраженного от границы раздела двух сред, составит R=100 %. Поэтому обнаружение металлических объектов представляет собой относительно простую задачу. При распространении сигнала в сухой земле (К1 = 5), доля энергии сигнала, отраженного от камня (К2 = 6), составит всего R = 5 %. Поэтому обнаружение такого сигнала значительно усложняется.

Вторая задача георадара состоит в измерении времени, которое затратил сигнал с момента излучения до момента приема. Георадар не измеряет глубину или расстояние до объекта, измеряет только время. Зная время и скорость распространения сигнала (в K1 раз меньше скорости света в вакууме) исследуемой среды, можно выразить глубину. Диэлектрическая проницаемость оценивается приближенно, исходя из контекста измерений (например, болото, сухой песок, асфальт). При перемещении георадара (сканировании) по поверхности земли, на монитор выводится профиль (совокупность отраженных и обработанных сигналов). Анализ профиля заключается, как правило, в поиске гипербол на профиле. Такие гиперболы образуются при приближении георадара к локализованной подземной неоднородности и удалении от нее – так образуются левый и правый усы гиперболы соответственно (рисунок 2). Форма гиперболы определяется в том числе диэлектрической проницаемостью К1 земли, поэтому по результатам измерения гиперболы можно уточнить величину К1 и, соответственно, глубину залегания неоднородности.

Ранее уже публиковалась статья по разработке георадара Izh-Terra. Его фото приведено на рисунке 3.

При разработке георадара Izh-Terra основная задача состояла в получении максимально возможного динамического диапазона (способность георадара одновременно обнаруживать крупные и мелкие цели, достигнутое значение – 130 дБ), всем остальным характеристикам (размеры, масса, удобство пользования и т.д.) должного внимания не уделялось. Пришло время это исправить. 

Кроме того, большая проблема при работе с георадаром Izh-Terra заключалась в повышенном внимании к оператору со стороны случайных рядом оказавшихся людей. Такие зеваки, интересующиеся диковинным устройством, доставляют немало проблем. Среди таких интересующихся часто встречаются любители альтернативной истории, знатоки местных легенд и просто бдительные старушки. В следующей версии георадара этот недостаток также решено устранить.

Учитывая предыдущий опыт и выполнив работу над ошибками, разработан специальный георадар, получивший название георадар-тюбинг Izh-Terra-1 и имеющий следующие особенности:

• не привлекает внимания других людей, а именно:

  • не содержит каких-либо проводов и кабелей;

  • информация о результатах подземного сканирования отображается в смартфоне или планшете пользователя; можно вообще не смотреть на результаты измерений в реальном времени, поскольку все данные сохраняются на внешний USB носитель, в том числе GPS координаты всех перемещений;

  • внешний вид георадара (рис. 4) не отличается от привычных повседневных предметов, например, детского тюбинга. По желанию пользователя, георадар можно установить, например, в рыбацкие сани-волокуши;

• нет необходимости задавать специальные настройки, все параметры задаются в постобработке. Прибор работает в режиме «включил и пошел».

• Антенна георадара содержит экран, в связи с чем георадар имеет минимальную чувствительность к объектам в верхней полусфере, то есть деревьям, людям, ЛЭП и т.д.

Новый георадар имеет следующие основные характеристики:

• тип сигнала – непрерывный ЛЧМ, период свипирования – 1 мс;

• частотный диапазон: (50 – 1050) МГц, полоса сигнала (девиация частоты) B=1000 МГц;

• частота измерений: до 330 раз в секунду при временной развертке 500 нс;

• разрешение по глубине: 5 см для характерного материала с ε=9 (асфальт, бетон, мокрый песок);

• динамический диапазон: 110 дБ;

• мощность передатчика: 0 dBm;

• температура эксплуатации: минус 30⁰c – плюс 30⁰c;

• температура хранения: минус 50⁰c – плюс 50⁰c;

• время непрерывной работы: 3 часа;

• привязка к местности: GPS/GLONASS;

• размеры – цилиндр диаметром 510 мм, высотой 100 мм (без тюбинга);

• масса – 3,5 кг (без тюбинга);

• наличие одометра – нет;

• площадная съемка – нет.

2. Техническая реализация

Функциональная схема георадара Izh-Terra-1 приведена на рисунке 5. Передатчик формирует сигнал с непрерывным линейным изменением частоты во времени, который поступает в антенну и излучается в землю. Отраженный от цели сигнал с антенны поступает в приемник, смешивается в смесителе с сигналом на передачу. На выходе смесителя выделяется сигнал, соответствующий разности частот переданного и принятого сигналов (разность частот еще называют частотой биений). После оцифровки такого сигнала оценивается его спектр с применением быстрого преобразования Фурье. Спектр  является отображением окружающей обстановки.

Описание работы передатчика и схемы георадара в целом приведены в статьях 1 и 2. Управляет георадаром OrangePi c Debian и RDP сервером. Подключиться к георадару можно по WiFi с любого устройства с установленным RDP клиентом.

Для георадаров непрерывного излучения характерны высокие скорости сканирования (по сравнению с импульсными приборами). В георадаре Izh-Terra-1 сканирование происходит 1000 раз в секунду. Примененный OrangePi имеет недостаточное быстродействие, и, как следствие, частота сканирования снижается в три раза – до 330 измерений в секунду. При этом для качественного георадарного сканирования при неспешной ходьбе необходимо производить от 15 до 20 измерений в секунду, что в 16-22 раза меньше возможностей георадара. В этом случае применяется накопление сигнала (простое усреднение), позволяющее увеличить отношение сигнал-шум. При этом, если накапливать сигнал перед БПФ, увеличение отношения сигнал-шум будет пропорционально количеству накопленных измерений. В этом случае говорят о когерентном накоплении сигнала.

В георадаре Izh-Terra-1 количество измерений для когерентного накопления по умолчанию составляет 16. В этом случае можно наблюдать увеличение отношения сигнал/шум в 15-16 раз по сравнению с однократным измерением. Пользователь может изменять количество измерений для накопления в пределах от 2 до 1024.

2.1 Антенна

Антенна георадара  имеет ряд особенностей:

• работа осуществляется с сигналами как в ближней, так и в дальней зоне антенны, поэтому использовать классические представления о диаграмме направленности антенн в дальней зоне надо осторожно. Например, сравнивать две антенны по коэффициенту усиления, игнорируя многие другие параметры, в данном случае будет некорректным. -  Параметр S11 антенны зависит от высоты H расположения антенны над поверхностью земли. Как показывает практика, величина H должна быть не слишком малой и не слишком большой.

• Любая антенна имеет свои емкость и индуктивность, а, следовательно, характеризуется резонансными частотами и добротностью контуров. Напомню, чем выше добротность антенны-контура, тем медленнее затухают колебания в антенне, и маскируют отраженный от цели сигнал. В этом случае говорят, что антенна «звенит». Для сокращения времени затухания колебаний в антенне выполняют ряд мероприятий, в том числе резистивное нагружение и применение радиопоглощающих покрытий. Мероприятия по уменьшению звона антенны существенно увеличивают трудоемкость изготовления и приводят к снижению КПД антенны, поэтому их использование необходимо выполнять в разумных пределах.  Разработанная для георадара Izh-Terra-1 антенна в разобранном виде приведена на рисунке 6. На рис. 6 сверху приведен экран, на внутреннюю поверхность которого нанесено радиопоглощающее покрытие. В нижней части рисунка 6 приведена излучающая поверхность, на которую распаиваются SMD резисторы (более 500 штук), номиналы которых подбираются таким образом, чтобы максимально подавить свободные колебания и обеспечить приемлемый КПД. Входное сопротивление такой антенны составляет 50 Ом, что является большим преимуществом, поскольку не требует применения трансформаторов, вносящих ощутимые потери.

Параметр S11 приведен на рисунке 7, диаграмма направленности на частоте 600 МГц – на рисунке 8.

Мероприятия по уменьшению звона антенны (большое количество SMD резисторов и радиопоглощающее покрытие) усложняют антенну, приводят к снижению КПД и увеличению трудоемкости изготовления. Производители георадаров часто отказываются от таких мероприятий, что считаю недопустимым. На рисунке 9.1 приведена радарограмма с применением антенны галстук-бабочка без резистивных нагрузок. Видно, что антенна звенит и склонна к возбуждению. На рисунке 9.2 приведена радарограмма, полученная георадаром Izh-Terra-1 с антенной, описанной выше.

2.2 Конструктивное исполнение

Внешний вид георадара приведен на рис. 10, на котором можно видеть установленный на антенну приемопередающий модуль, содержащий WiFi антенну, аккумулятор Li-ion 8.4 В, антенну GPS/ГЛОНАСС и USB карту памяти. Аккумулятор и антенна GPS/ГЛОНАСС крепятся к антенне георадара на неодимовые магниты. Размеры георадара в таком виде составляют: диаметр – 510 мм, высота - 100 мм, масса – 3,5 кг.

Георадар, представленный на рис. 10, помещается в тюбинг (рис. 11) между двух камер (сверху и снизу). Давление нижней камеры выбирается таким, чтобы обеспечить оптимальную высоту георадара над землей (5-10 см). Тюбинг в таком виде не отличается от обычного детского тюбинга-ватрушки.

3 Результаты применения

Тестировать георадар будем на целях, видимых невооруженным глазом. Весьма подходящее место для этого – набережная городского пруда (рис. 12, 13).

Находясь на льду пруда, можно наблюдать множество металлических и пластиковых сливных труб разного диаметра и расположенных на разной глубине, торчащих из крутого берега, и по которым что-то стекает в водоем (полагаю, талая или дождевая вода). Фотография такой трубы приведена на рисунке 13. В данном конкретном случае труба имеет диаметр 0,2 м и располагается на глубине 1,8 метра. Желтыми стрелками обозначено движение георадара по пешеходной дорожке. Такая дорожка покрыта утоптанным снегом высотой 20-30 см. 

Как будет показано ниже, георадар видит не только трубы (которые видны невооруженным глазом), но и множество других скрытых объектов.

Для начала измерений пользователю необходимо выполнить следующую последовательность действий:

• включить георадар;

• со смартфона подключиться к WiFi точке доступа георадара;

• открыть приложение RDP клиента;

• указать название файла для сохранения данных;

• нажать кнопку «Measure» (рис. 14).

Далее можно выключить телефон и продолжить прогулку. Все данные сохраняются на USB карту. По окончании измерений пользователь извлекает USB карту. Для анализа результатов и обработки разработан отдельный софт, для его применения нужен ПК с любой ОС Windows.

Все приведенные в настоящем разделе профили не подвергались какой-либо специальной обработке, за исключением вычитания среднего. На радарограммах ниже по горизонтальной оси отложено расстояние в метрах, вычисленное по GPS коодинатам. Относительно точная интерпретация радарограмм возможна только опытным пользователем, которым я не являюсь. Поэтому привожу радарограммы без анализа. 

На рисунках 15, 16 приведены радарограммы с частично идентифицированными объектами. 

На рисунке 17 пример еще одной яркой гиперболы, расположенной на относительно большой глубине. Предполагаю наличие металлической трубы большого диаметра.

На рисунках 18, 19 совместно с гиперболами заметна яркая граница раздела двух сред. Предположу, что это грунтовые воды.

Заключение

Основные характеристики разработанного георадара Izh-Terra-1:

• тип сигнала – непрерывный ЛЧМ, период свипирования – 1 мс;

• частотный диапазон: (50 – 1050) МГц, полоса сигнала (девиация частоты) B=1000 МГц;

• частота измерений: до 330 раз в секунду при временной развертке 500 нс;

• разрешение по глубине: 5 см для характерного материала с ε=9 (асфальт, бетон, мокрый песок);

• динамический диапазон: 110 дБ;

• мощность передатчика: 0 dBm;

• температура эксплуатации: минус 30⁰c – плюс 30⁰c;

• температура хранения: минус 50⁰c – плюс 50⁰c;

• время непрерывной работы: 3 часа;

• привязка к местности: GPS/GLONASS;

• размеры – цилиндр диаметром 510 мм, высотой 100 мм (без тюбинга);

• масса – 3,5 кг (без тюбинга);

• наличие одометра – нет;

• площадная съемка – нет.

PS. Георадар разрабатывался для себя, в ходе разработки изготовлено два прибора. Предвосхищая вопросы, в продаже приборов нет. Но можно взять в аренду опытные образцы, самовывоз из Ижевска. Сейчас ищу организацию для изготовления и продажи приборов.