Исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры

В настоящее время метод подпочвенного зондирования или георадиолокация [1, 2] (в англоязычной литературе «Ground Penetrating Radar» или GPR) является одним из наиболее новых и интенсивно развивающихся методов неразрушающего контроля, способным предоставить достаточно полную и достоверную информацию о состоянии обследуемой среды. Метод георадиолокации находит широкое практическое применение для решения ряда задач — от оконтуривания месторождений [3] до диагностики состояния элементов инфраструктуры инженерных и транспортных объектов [4]. Работы по использованию подпочвенного зондирования ведутся как у нас в стране [1−4] так и за рубежом [5−6].

Применение метода георадиолокации может осуществляться при непосредственном контакте антенных блоков с исследуемой средой [7]. Вместе с этим, для повышения скорости проведения георадиолокационных обследований георадарьт устанавливаются на автомобили [8], вагоны [9] и летательные аппараты [10−11].

Современное интенсивное расширение сети автомобильных и железных дорог привело к ужесточению требований, предъявляемых к их безопасности и к необходимости проведения качественного и информативного обследования дорожного полотна.

Анализ имеющихся физических методов геодиагностики [12−17] показал, что для решения отмеченных выше задач наиболее перспективным является метод георадиолокации, позволяющий организовать систему скоростного неразрушающего контроля за состоянием объектов инженерной и дорожной инфраструктуры. В связи с этим диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов распространения электромагнитного излучения в многослойных неоднородных грунтовых средах на основе метода георадиолокации. В частности в диссертации: разработаны методы конструирования аппаратуры для георадиолокационного обследования инженерных объектов;

— рассмотрены основные закономерности и особенности в формировании георадарограмм при распространении СВЧ излучения в многослойных средах, включающих области аномалий;

— разработан метод количественной оценки свойств среды по отраженному электромагнитному сигналу;

— предложены критерии оценки возможности использования метода георадиолокации для решения конкретных прикладных задач;

— созданы оборудование и технология для диагностики структуры грунта и поиска инородных объектов, включая взрывные устройства.

Актуальность темы

исследований. Физические и геофизические методы исследования многослойных неоднородных сред (грунтов) находят в последнее время все более широкое применение в технике [3, 8, 12]. Это связано в первую очередь с тем, что применяемые сегодня разрушающие методы (пенетрация, отбор проб грунтов бурением и т. д.) не позволяют получать информацию об обследуемой среде в нужном объеме и сопряжены со значительными временными, трудовыми и материальными затратами.

Практически значимые результаты можно получить, комплексируя эти методы с методами неразрушающего контроля: георадиолокацией [1, 2], сейсморазведкой [15−16], электроразведкой [13−14] и др.

С помощью метода георадиолокации, сегодня решаются такие задачи, как качественное определение положения границы раздела грунтовых слоев [4−6], уровня залегания верхней границы грунтовых вод [7], диагностика состояния элементов инженерных объектов [8−10] и т. п.

Георадиолокационный метод обследования имеет ряд преимуществ перед отмеченными выше разрушающими методами в скорости, экономичности и эффективности использования [12]. Однако, не смотря на очевидную привлекательность использования метода георадиолокации [2, 7], существуют и проблемы применения данного метода. Главная трудность заключается в том, что при использовании универсальной георадиолокационной аппаратуры в условиях сложной инженерной инфраструктуры возникает ряд трудностей при интерпретации получаемой информации, связанных с помехами, от которых необходимо избавляться [18], а также с особенностями распространения волн в грунтовых средах с аномалиями или включениями [19]. В связи с этим разработка методов количественной интерпретации и совершенствование аппаратуры для работы в указанных условиях является актуальной задачей. Кроме того, метод георадиолокационного зондирования относительно молодой и его теория все еще не сформирована в необходимом объеме. Так для достоверной интерпретации георадиолокационных данных (обратная задача георадиолокации) необходимо исследовать механизмы распространения излученных радиоволн в грунте, особенности отражений от объектов, влияние влажности и других свойств среды (прямая задача георадиолокации).

Таким образом, представляется актуальным исследование особенностей использования метода георадиолокации в условиях развитой инженерной инфраструктуры, механизмов формирования отраженных сигналов в многослойных неоднородных средах, а также применение метода для обнаружения, в частности, взрывных устройств и других опасных включений в грунте. Результаты данных исследований повысят эффективность и достоверность данного метода при использовании в условиях сложной инженерной инфраструктуры. Предложенные подходы помогут оценить возможности использования метода георадиолокации для решения конкретных прикладных задач.

С практической точки зрения актуальность работы связана с разработкой методов конструирования аппаратуры для георадиолокационного обследования железнодорожного пути на основе решения прямой задачи георадиолокации. Выполненные исследования позволяют более детально и качественно интерпретировать данные, получаемые георадарами и, следовательно, более точно восстанавливать подземную структуру обследуемых грунтов. Кроме того, на основе использования георадиолокационного метода создан и апробирован программно-аппаратный комплекс для диагностики балластной призмы и поиска инородных объектов, включая взрывные устройства.

Целью работы является исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научные задачи:

1. Исследование влияния электрофизических свойств, среды на характеристики радарограмм.

2. Решение прямой задачи георадиолокации для оценки возможности применения метода при решении задач диагностики инженерных объектов.

3. Разработка метода и аппаратуры для обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте.

4. Расчет и конструирование антенных блоков георадаров с заданными электрофизическими свойствами для применения в условиях сложной инженерной инфраструктуры.

Научная новизна работы. В работе впервые:

— исследован характер влияния электрофизических свойств среды и ее аномальных зон на радарограммы;

— разработан метод количественной оценки свойств грунтовых сред по отраженному сигналу;

— оценены возможности метода георадиолокации при диагностике инженерных объектов решением прямой задачи георадиолокации;

— разработаны методика и аппаратура для обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте, путем сравнения радарограмм и выявления на них аномальных участков;

— разработаны требования к аппаратуре для обследования объектов инженерной инфраструктуры.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Теоретическое исследование затухания электромагнитного излучения в средах с различными электрофизическими свойствами для оценки применимости метода георадиолокации.

2. Метод количественного определения электрофизических характеристик продольно-слоистых сред в скоростном режиме обследования.

3. Метод обнаружения инородных объектов в однородных слоистых средах, адаптированный для применения на железнодорожном пути.

4. Оборудование с заданными физическими параметрами для применения в условиях сложной инженерной инфраструктуры. Достоверность полученных результатов определяется использованием при теоретических исследованиях современных апробированных представлений волновой теории электромагнитного излучения [20], современных методов вычислений и обработки данных [21−24], библиотек компьютерных алгоритмов [25−27]. Все теоретические выводы и полученные результаты подтверждались лабораторными и натурными проверками и испытаниями [28−30].

Научная и практическая значимость. Применение георадиолокационного метода для подпочвенного зондирования имеет ряд преимуществ перед другими геофизическими методами. Основными преимуществами являются высокая производительность метода, скорость проведения обследования, экономия временных и трудовых затрат, скорость получения достоверной и качественной информации. Вместе с этим, теория метода георадиолокации и опыт его использования для диагностики железнодорожного пути требуют дальнейшего развития. На основе полученных в работе результатов созданы неразрушающие методы определения засоренности балласта и подсчета числа деформаций земляного полотна. Эти методы используются на объектах СевероКавказской и Горьковской железных дорог в процессе текущего содержания, капитальных ремонтов и реконструкций железнодорожного пути, контроля проведенных ремонтно-восстановительных работ. Разработанный метод обследования грунтов лег в основу создания прототипа радиоуправляемого самоходного устройства для обнаружения на наличие потенциально опасных включений, в том числе взрывных устройств.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и опубликованы в материалах следующих конференций: девятой всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности» в 2006 году, г. Санкт-Петербургтретьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства1 и эксплуатации железнодорожного пути» в 2006 году, г. Москвавторой, третьей, четвертой и пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика» в 2006;2009 годах, г. Геленджиктретьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» в 2009 году, г. Москва.

Материалы диссертации отражены в следующих работах:

1. Явна, В. А. Георадарное диагностирование железнодорожного земляного полотна. / В. А. Явна, В. И. Грицык, А. А. Попов, В. В. Ковдус, З. Б. Хакиев // Вестник РГУПС. Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2005. -№ 2. -С.93−99.

2. Колесников, В. И. Георадиолокационные признаки областей с аномальными физическими свойствами. / В. И. Колесников, В. А. Явна, В. В. Ковдус, В. Л. Шаповалов, З. Б. Хакиев // Вестник РГУПС.

Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2005. -№ 3. -С.124−127.

3. Явна, В. А. Антенна для скоростного мониторинга железнодорожного пути. / В. А. Явна, В. А. Попов, В. В. Ковдус, З. Б. Хакиев // Вестник РГУПС. Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2006, -№ 2. -С.20−23.

4. Khakiev, Z.B. Improving GPR monitoring of track ballast and railway structural integrity / Z. B Khakiev, V. A Bilalov, A. V Morozov and V.A. Yavna // First break, March 2009. V. 27. — P. 93−95.

5. Хакиев, З. Б. Некоторые особенности Амплитудно-частотных характеристик георадиолокационных трасс в средах с различной проводимостью. / Хакиев З. Б. // Известия СКНЦ Высшей школы. Естественные науки. — Ростов-на-Дону. — 2009. — Т.6. -С.41−43.

6. Колесников, В. И. Широкополосные узконаправленные антенны для обнаружения взрывных устройств в балластной призме железнодорожного пути. / В. И. Колесников, З. Б. Хакиев, Д. В. Явна, П. Ю. Петров // Труды девятой всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», Санкт-Петербург — 2006, Т. 1. -С. 279−285.

7. Явна, В. А. Широкополосные направленные антенны для мониторинга состояния балластной призмы железнодорожного пути. / В. А. Явна, З. Б. Хакиев, А. В. Билалов, В. А. Морозов // Тезисы докладов второй международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика-2006». Москва-2006. -С.82−83.

8. Шаповалов, B.JI. Георадиолокационная диагностика железнодорожного пути в скоростном режиме. / B.JI. Шаповалов, В. В. Ковдус, З. Б. Хакиев, А. А. Зарифьян, В. А. Явна, В. В. Помозов, А. В. Дудник, Б. А. Наумов // Труды третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы. проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», Москва — 2006. -С.58−60.

9. Хакиев, З. Б. Моделирование распространения импульсов электромагнитного излучения в веществе. /З.Б. Хакиев, А. В. Морозов, В. А. Явна // Тезисы докладов третьей международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика — 2007». Москва — 2007, -С.88−90.

10. Хакиев, З. Б. Узконаправленные антенные блоки георадаров. / З. Б. Хакиев, А. Ю. Карпов, А. А. Бахарев, В. А. Явна // Тезисы докладов третьей международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика — 2007», Москва — 2007. -С.

11. Хакиев, З. Б. Прямая задача георадиолокации. Расчеты радарограмм для сред с разной влажностью. / З. Б. Хакиев, А. А. Бахарев, А. Ю. Карпов, В. А. Явна // Тезисы докладов четвертой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика — 2008», Москва — 2008.

12. Хакиев, З. Б. Профилирование основной площадки земляного полотна и определение засоренности балласта в режиме реального времени. / З. Б. Хакиев, Д. В. Явна, B. JL Шаповалов, М. В. Окост // Тезисы докладов четвертой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика — 2008», Москва — 2008.

13. Хакиев, З. Б. Количественная интерпретация георадарограмм влажного грунта. / З. Б. Хакиев, В. В. Помозов, В. А. Явна // Тезисы докладов пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика — 2009», Москва — 2009.

14. Хакиев, З. Б. Математическое обеспечение для изучения динамических процессов грунтов методом сравнения радарограмм / Хакиев З. Б., Морозов А. В., Тишевской И. Н., Явна В. А. // Тезисы докладов пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика — 2009», -2009.

15. Хакиев, З. Б. Определение свойств грунта георадиолокационным методом. / Труды третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва — 2009. — Т. 1. -С. 177−181.

16. Хакиев, З. Б. Расчет радарограмм для сред с разной влажностью. / З. Б. Хакиев, А. Ю. Карпов, В. А. Явна // Труды докладов третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва — 2009. -Т. 1. -С.151−153.

Публикации № 1−4, 7, 8, 10 посвящены применению георадиолокационного метода для обследования состояния балласта и земляного полотна железнодорожного пути. В них рассматриваются вопросы обработки георадарограмм, особенности получения информации в скоростном режиме с использованием подвижных составов.

Публикации 5, 9, 11−13, 15 и 16 посвящены особенностям распространения электромагнитных волн в средах с аномалиями в процессе обследования методом георадиолокации, решению прямой задачи георадиолокации и расчету радарограмм для сред с разными электрофизическими свойствамиопределению амплитудно-частотных характеристик радарограмм, разработке метода определения засоренности балласта в режиме реального времени.

Публикации 6, 14 посвящены методу обнаружения инородных объектов в грунте, автоматической локализации инородных объектов и созданию устройства для поиска инородных тел, маскированных в грунте.

В указанных публикациях З. Б. Хакиеву принадлежат:

— анализ проблематики и постановка задачи исследования;

— проведение лабораторных и полевых испытаний и исследований;

— теоретические исследования по проблемам георадиолокации (совместно с руководителем В.А. Явна);

— теоретические исследования по изучению особенностей распространения электромагнитных волн в неоднородных средах и средах с аномалиями, расчеты радарограмм (совместно с руководителем В.А. Явна);

— систематизация и обобщение результатов (совместно с руководителем В.А. Явна);

— постановка направлений дальнейших исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти.

5.5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 5.

Сформулированы основные результаты, полученные в Главе 5:

1. Исследованы особенности использования антенн георадара в условиях сложной инженерной инфраструктуры железнодорожного пути. Получены оптимальные углы атаки антенн и высоты подъема антенн над поверхностью грунта для обнаружения инородных объектов.

2. Разработана методика обнаружения инородных объектов, маскированных в грунтесоздана программа автоматической локализации инородных объектов в грунте методом сравнения радарограмм.

3. Создан прототип самодвижущейся радиоуправляемой тележки для обнаружения инородных объектов на железной дорогепроведены успешные испытания на участке железнодорожного пути по обнаружению маскированного взрывного устройства.