Автор: Анастасия ГРИГОРЬЕВА, ведущий специалист группы информационного сопровождения проектов АО «НПП «Радар ммс», кандидат экономических наук Виктория ИВАНОВА, техник кафедры информатики УГАТУ
Перспективы развития подповерхностного радиолокационного зондирования на гражданском рынке
«Страна, первой вышедшая на широкое использование технологий сверхширокополосной радиоэлектроники, получит качественное преимущество перед другими». Заявление аналитического центра DARPA (2001) С каждым годом все большее число компаний проявляет интерес к технологиям подповерхностного радиолокационного зондирования. Если раньше данному направлению были посвящены отдельные редкие публикации в научных журналах, то теперь рассматриваемая тематика обсуждается в рамках сессий на международных конференциях геофизических и инженерно-геофизических обществ таких организаций, как SEG, EEAG, EEPG, EEGS. Принцип действия аппаратуры подповерхностного радиолокационного зондирования (в общепринятой терминологии – георадара) основан на излучении сверхширокополосных (наноимпульсных) импульсов метрового и дециметрового диапазона электромагнитных волн и приеме сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды. Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами – уровень грунтовых вод, контакты между породами различного литологического состава, между породой и материалом искусственного сооружения, между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными и осадочными породами и т. д. В общем понимании георадар – радиолокатор, с помощью которого исследуются такие среды, как земля, грунт, пресная вода, лед. Современные георадары состоят из блока обработки, блока питания и антенн, которые отличаются глубиной зондирования. Технология работы георадаров – сверхширокополосная связь (СШП) Для разделения радиотехнических систем по занимаемой ими полосе частот управлением перспективных НИОКР министерства обороны США (DARPA) в 1990 г. было введено общее определение относительно полосы частот: Ƞ = (fверх.-fнижн.)/ (fверх.+fнижн.), где f верхн. и f нижн. – рабочие частоты. В соответствии с этим определением системы или сигналы, имеющие полосу Ƞ≤0,01, относятся к узкополосным, 0,01 < Ƞ ≤ 0,25 – к широкополосным, а 0,25 < Ƞ ≤ 1 – к сверхширокополосным. В качестве СШП сигналов могут использоваться кодоимпульсные последовательности, линейно-частотно-модулированные сигналы, видеоимпульсы, не имеющие высокочастотного заполнения, состоящие из нескольких периодов высокочастотного колебания. Сверхширокополосная связь (UWB – Ultra Wideband) представляет собой способ передачи информации, использующий высокочастотные импульсы с малой энергией; это любая технология радиопередачи с занимаемым спектром более 20% от центральной частоты или минимум 500 МГц. К достоинствам СШП относятся: • высокая разрешающая способность сверхширокополосного радиолокатора; • полное игнорирование Stealth-покрытий, возможность видеть за препятствиями; • высокая скорость передачи данных; • скрытность сверхширокополосного информационного канала; • возможность функционального подавления традиционных узкополосных радиосистем; • простота и малые массогабаритные характеристики; • возможность интегрирования и одновременной работы в рамках технологии SDR нескольких разнородных систем (например, радиолокатора, системы связи и функционального подавления). Области применения георадаров В области радиолокации СШП технологии используются в различных сферах – от авиационных радаров коммерческого и военного применения для получения радиоизображений и образов целей до охранных систем и средств борьбы с терроризмом и преступностью, обеспечивающих получение изображений скрытых объектов и позволяющих решать задачи видения сквозь стены на расстояниях до сотен метров. На основании преимуществ базовой технологии СШП-локаторы (РЛС) обладают высоким разрешением и им не страшны преграды. Они могут работать внутри зданий, «просвечивая» стены и конструкции из любого материала, или быть радарами подземного зондирования, способными обнаруживать неглубокие залежи различных минералов, безошибочно определять местонахождение и состояние подземных коммуникаций, находить людей под завалами или снежными лавинами и т. д. Другими словами, это могут быть не только идеальные приборы для использования при строительстве и ремонте различных сооружений, но и надежные помощники служб спасения, работающих при устранении последствий различных аварий и бедствий. Кроме того, СШП технология может использоваться в медицинских приложениях, таких как мониторинг работы сердца, органов дыхания и т. п. (рис. 1).
Рисунок 1 – Области применения СШП технологии Рассматриваемые в данной статье радиолокаторы подповерхностного зондирования применяются в археологии, геофизике, при оценке состояния дорог и железнодорожного полотна, поиске захороненных органических тел, неразорвавшихся снарядов и других боеприпасов, локализации канализационных труб и коммуникационных сетей, а также для решения других задач. В геологии георадары применяются для построения геологических разрезов, определения положения уровня грунтовых вод, толщины льда, глубины и профиля дна рек и озер, границ распространения полезных ископаемых в карьерах, положения карстовых воронок и пустот. В археологии при помощи георадаров устанавливают места нахождения археологических объектов и границы их распространения. В транспортном строительстве (автомобильные и железные дороги, аэродромы) георадары используются для определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды и качества уплотнения дорожно-строительных материалов, изыскания карьеров дорожно-строительных материалов, оценки оснований под транспортные сооружения, определения глубины промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях, содержания влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях, эрозии грунтов на участках мостовых переходов. В промышленном и гражданском строительстве помимо всего вышеперечисленного георадары нашли применение для определения качества и состояния бетонных конструкций (мостов, зданий и т. д.), состояния дамб и плотин, выявления оползневых зон, месторасположения инженерных сетей (металлических и пластиковых труб, кабелей и других объектов коммунального хозяйства). В решении вопросов охраны окружающей среды и рационального использования земель георадары используются для оценки загрязнения почв, обнаружения утечек из нефте- и водопроводов, мест захоронения экологически опасных отходов. В таможенных органах георадары используются для обнаружения контрабандных вложений в гомогенных однородных грузах. В оборонной промышленности георадары могут быть использованы для обнаружения мест заложения мин, расположения подземных тоннелей, коммуникаций, складов, техники. Хорошие результаты по обезвреживанию мин различного вида дает комплексирование георадарных технологий с индукционными, тепловизионными и другими методами, а также с нелинейными локаторами. Обзор зарубежного рынка георадаров Несмотря на растущую популярность данной технологии в открытом доступе, на сегодняшний день практически отсутствуют материалы, описывающие состояние рынка георадаров. По данным международных маркетинговых агентств, можно сделать вывод, что объем мирового рынка георадаров на сегодняшний день составляет порядка 0–150 млн. Ежегодный рост составляет порядка 10–15%. Объем рынка услуг, обеспечивающих работу георадаров, насчитывает порядка млрд. Основными производителями на рынке георадаров являются Mala GeoScience (Швеция); Geophysical Survey Systems, Inc. (GSSI) (США); Sensor and Software, Inc (Канада); US Radar Sub-Surface Imaging Systems (США); Ingegneria Dei Sistemi (IDS) (Италия). Швеция Шведские георадары компании Mala GeoScience являются одними из самых распространенных на рынке. Частота работы георадаров составляет 250, 500 и 800 МГц. Расстояние между измерениями по горизонтали составляет от 0,25 до 0,8 м в зависимости от используемого антенного блока. Скорость проведения измерений от 20 до 40 км/ч. По результатам георадарных обследований может быть определена диэлектрическая проницаемость грунтов, по которой по эмпирической зависимости рассчитывается объемная влажность грунта.
Рассматриваемые георадары используются шведской национальной дорожной администрацией для определения толщины покрытий, а также влажности грунтов земляного полотна. США Американские георадары компании GSSI, сконструированные специально для дорожных исследований и отображения сложных схем городских коммуникаций со множеством объектов, размещающихся на разной глубине. Новейшими разработками в семействе GSSI являются георадары SIR-20, SIR-2000 и SIR-3000. Скорость сбора данных георадаров составляет до 800 измерений в секунду одной антенной, что позволяет добиться плотности в 4 измерения на каждые 10 см при скорости в 60 км/ч. «Просвечивание» грунта осуществляется на глубину до 20–30 м. Причем приборы могут работать как с экранированными (от 100 МГц и выше), так и с неэкранированными (до 100 МГц) антенными блоками. Согласно данным GSSI, более 50% производимых георадаров экспортируются в 50 стран мира. Средняя стоимость одного георадара составляет порядка 000. Канада Канадские георадары типа Noggin Plus предназначены для определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды, однородности материалов, выявления пустот под дорожным покрытием, локализации впадин и подземных коммуникаций, определения толщины льда и снега и т. д. Латвия Рижская компания RadarSystems выпустила на рынок радар подповерхностного зондирования, который с помощью сменных антенных модулей обеспечивает возможность зондирования в диапазоне частот от 28 МГц до 2 ГГц. В перечне областей применения этих георадаров указано, что они используются для определения уровня грунтовых вод, глубины залегания коренных пород, степени загрязнения почв; в поиске минеральных ископаемых, зарытых в грунт кабелей, проводов, труб и т. п.; в обнаружении пещер и пустот, профилировании дна водоемов и рек; а также в гляциологии; археологии; судебной медицине; горных исследованиях. Имеется опыт Латвийской железной дороги по применению георадаров данной компании. Прибор вместе с антенным блоком устанавливается на специальной тележке, перемещающейся по рельсам. Георадар используется для изысканий перед проектированием капитального ремонта пути. Обзор российского рынка георадаров Согласно оценкам российских экспертов, на отечественном рынке применяется порядка 45% зарубежных георадаров, в основном производства США и Швеции (GSSI и Mala). Российскими компаниями, занимающимися производством георадаров, являются ООО «Лаборатория дистанционного зондирования» (Россия), ООО «Логические системы» (Россия), ЗАО «Таймер» (Россия), ОАО «ВНИИСМИ» (Россия), ЗАО «НТЦСМ» (Россия), АО «НПП «Радар ммс», ФГУП СКБ ИРЭ РАН и другие компании, многие из которых в настоящее время проводят активные исследовательские работы в рамках данной тематики. Среди компаний, которые уже вывели свою продукцию на рынок? можно отметить: ООО «Компания ВНИИСМИ» (Москва). Принцип действия радара основан на излучении СШП электромагнитных импульсов без несущей частоты. Отличительной особенностью приборов этой серии по сравнению с известными зарубежными и отечественными аналогами является большой энергетический потенциал, позволяющий работать в средах с высокой проводимостью, например, во влажной глине, что для других георадаров не представляется возможным из-за их малого потенциала. ЗАО «Таймер» (Московская обл.). Ключевым преимуществом георадара является непосредственная оцифровка принимаемого сигнала за один зондирующий импульс во всем диапазоне рабочих частот без дополнительных операций стробирования и частотного преобразования. ООО «Логические системы» (Московская обла.). Георадары предназначены в том числе для обнаружения движущихся объектов за различными преградами, например, за железобетонными стенами толщиной до 60 см. Приборы также используются для обнаружения минно-взрывных устройств, в том числе бескорпусных или в неметаллических корпусах, в строительных конструкциях, под автомобильными дорогами, под полотном железных дорог, в грунте. ОАО «КБОР» (Москва). Компания выпускает несколько разновидностей приборов, среди них контрольно-индикационный прибор, предназначенный для бесконтактного оперативного определения толщины и структуры льда в точке и в процессе движения в режиме реального времени, а также для построения профиля ледового покрова вдоль маршрута движения людей и транспорта, на ледовых переправах и автозимниках. Также компанией разработан георадар, позволяющий в режиме реального времени производить замер уровня снежного покрова при любом микроклимате. Прибор подходит для прокладывания лыжных и горнолыжных трасс. В рамках исследования георадаров, представленных на российском рынке, авторами был проведен маркетинговый анализ. Результатом которого в том числе стал профиль георадара, содержащего одни из самых лучших технических характеристик отечественных приборов на сегодняшний день (табл. 1). Наиболее важными, по мнению экспертов, являются такие показатели, как разрешающая способность, чувствительность и глубина зондирования. Таблица 1 Описание технических характеристик отечественных георадаров
Исследования в области СШП технологии и георадаров в частности последнее время приобретают все более широкие масштабы. Возрастающий интерес к технологиям подтверждается быстро растущим количеством публикаций и специализированных международных конференций: Ultra Wide Band Electromagnetics on Ground Penetrating Radar (конференция по РЛС подповерхностного зондирования) и др. Несмотря на большое количество существующих моделей георадаров, различающихся типом решаемых задач и видом используемого сигнала, рынок еще не заполнен. Проводимые исследования показали, что существенные особенности подповерхностной радиолокации требуют постоянной разработки специализированной аппаратуры. В связи со значимостью рассматриваемой тематики в сфере государственных нужд сегодня в открытых источниках практически отсутствует информация о разработках США, Германии, Японии и других стран, что ограничивает возможность представления развернутых рыночных исследований. Но имеющиеся на сегодня данные, несомненно, подтверждают значимость и перспективность направления подповерхностного радиолокационного зондирования на гражданском рынке.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru