РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

DEVELOPMENT OF A MICROPROCESSOR SYSTEM FOR HIGH-FREQUENCY SCANNING OF INHOMOGENEOUS MEDIA

Azel Shaimardanova

student, Department of computer engineering, Eurasian national University,

Kazakhstan, Nur-Sultan

Sabyrzhan Atanov

doctor of engineering, Eurasian national University,

Kazakhstan, Nur-Sultan

АННОТАЦИЯ

В настоящей статье был приведен обзор имеющихся оборудований для сканирования неоднородных сред. Описаны технические возможности, все преимущества и недостатки данных оборудований.  В настоящей публикации приведены новые данные о современных конструкциях георадаров и опыте их применения, а также представлены самые последние сведения по георадарным технологиям.

ABSTRACT

This article provides an overview of available equipment for scanning inhomogeneous media. The technical features, all the advantages and disadvantages of these equipment are described.  This publication provides new information about modern GPR designs and experience in their use, as well as the latest information on GPR technologies.

Ключевые слова: георадиолокация, металлоискатель, антенна, сканирование, микропроцессорная система, георадар.

Keywords: ground-penetrating radar, metal detector, antenna, scanning, microprocessor system, ground-penetrating radar.

Задача сканирования и нахождения различных предметов (металлических и неметаллических)  и других неоднородностей, находящихся под поверхностью земли (воды), очень актуальна при мониторинга природных и техногенных объектов при решении задач природопользования, экономики и управления, а также во многих сферах хозяйственной деятельности. Решение этих задач возможно с использованием магнитных, акустических, ультразвуковых и других обнаружителей. Очень эффективно многие из подобных задач могут быть решены без вскрытия среды и проведения раскопочных работ с помощью оборудования с микропроцессорной системой.

Использование подповерхностного сканирования не являлось стабильным за рубежом и в страны СНГ. Первые эксперименты разработки геосканирующих устройств проводилось в 1922 году. Выйдя из стадии лабораторных разработок, геосканирующие приборы в семидесятые годы привлёк к себе внимание, которое потом ослабло примерно на 10 лет. Затем, в середине 80-х годов в связи с бурным развитием электроники, вычислительной микропроцессорной техники и одновременным ростом потребностей в инженерной разведке интерес геосканирующих приборы снова возрастает, но, натолкнувшись на несовершенную технику обработки, снова несколько снижается. За последние годы интерес к использованию геосканирующие приборов находится в стадии постоянного бурного роста. Если раньше геосканирующим приборам были посвящены отдельные редкие публикации в научных журналах, то теперь целые разделы конференций международных геофизических и инженерно-геофизических обществ типа посвящены геосканирующим устройствам. Если рассмотреть развитие геосканирования в Казахстане, то можно с уверенностью сказать, что это сфера широко используется в разных отраслях деятельности. [1, с. 62]

Один из видов геосканирующих устройств это - металлоискатель электронный инструмент, который обнаруживает наличие металла поблизости. Металлодетекторы полезны для обнаружения металлических включений, спрятанных внутри предметов, или металлических предметов, спрятанных под землей. Они часто состоят из портативного устройства с датчиком, который может быть подметен над землей или другими объектами. Если датчик приближается к металлическому предмету, это обозначается изменяющимся тоном в наушниках или движением стрелки на индикаторе. Обычно устройство дает некоторое представление о расстоянии; чем ближе металл, тем выше тон в наушниках или выше уровень иглы. Другим распространенным типом являются стационарные «металлоискатели», используемые для проверки безопасности в точках доступа в тюрьмах, зданиях судов и аэропортах для обнаружения скрытого металлического оружия на теле человека [2, с. 11].

Самая простая форма металлоискателя состоит из генератора, генерирующего переменный ток, который проходит через катушку, создающую переменное магнитное поле. Если кусок электропроводящего металла находится рядом с катушкой, в металле будут индуцированы вихревые токи, и это создаст собственное магнитное поле. Если для измерения магнитного поля используется другая катушка (действующая в качестве магнитометра), можно обнаружить изменение магнитного поля, вызванное металлическим объектом.

Техническая характеристика:

• Размер DD катушки  10" (260 мм)
• Принцип действия: VLF
• Рабочая частота - 6,4-6,7 кГц.
• Электропитание: 6 пальчиковых батарей типа АА, 9V
• Наработка от заряженного аккумулятора: 20 часов
• Дискриминация металлов
•  Питание: 12V (встроенный аккумулятор)
•  -Вес: 1500 гр

Металлоискатели широко используются  в археологии по всему миру. 

Георадар

Назначение, принцип действия, технические характеристики

Несмотря на то что принцип работы металлоискателя и георадара похожи,  по физическим и техническим характеристикам георадар  имеет ряд преимуществ. В отличие от обычного металлоискателя, передающей антенной прибора излучаются импульсы малой длительности (единицы наносекунд),  имеющие  2–3 полупериода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения.

Проникающий в землю радар - это геофизический метод, который использует радиолокационные импульсы для изображения недр. Этот неразрушающий метод использует электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне (частоты УВЧ / ОВЧ) радиоспектра и обнаруживает отраженные сигналы от подземных структур. Георадар может найти применение в различных средах, включая камни, почву, лед, пресную воду, тротуары и конструкции. В правильных условиях практикующие врачи могут использовать георадар для обнаружения подповерхностных объектов, изменений свойств материалов, а также пустот и трещин. [3, с.25]

В георадаре используются высокочастотные (обычно поляризованные) радиоволны, обычно в диапазоне от 10 МГц до 2,6 ГГц. Передатчик георадара и антенна излучают электромагнитную энергию в землю. Когда энергия сталкивается с захороненным объектом или границей между материалами, имеющими различные значения диэлектрической проницаемости, она может отражаться или преломляться или рассеиваться обратно на поверхность. Затем приемная антенна может записывать изменения в обратном сигнале. Используемые принципы аналогичны сейсмологии, за исключением того, что методы георадара реализуют электромагнитную энергию, а не акустическую энергию, и энергия может отражаться на границах, где изменяются подземные электрические свойства, а не подземные механические свойства, как в случае с сейсмической энергией.

Георадар состоит из блока обработки, блока питания и комплекта сменных антенн: а)антенны (приемная и передающая) большой глубины зондирования; б)антенны средней глубины зондирования; в)антенны высокого разрешения.

Рисунок 1. Блок-схема георадара

Электрическая проводимость земли, передаваемая центральная частота и излучаемая мощность - все это может ограничивать эффективный диапазон глубины исследования георадара. Увеличение электрической проводимости ослабляет введенную электромагнитную волну, и, таким образом, глубина проникновения уменьшается. Из-за частотно-зависимых механизмов ослабления более высокие частоты не проникают так далеко, как более низкие частоты. Однако более высокие частоты могут обеспечить улучшенное разрешение. Таким образом, рабочая частота всегда является компромиссом между разрешением и проникновением. Оптимальная глубина подземного проникновения достигается во льду, где глубина проникновения может достигать нескольких тысяч на низких частотах георадара. Сухие песчаные почвы или массивные сухие материалы, такие как гранит, известняк и бетон, имеют тенденцию быть резистивными, а не проводящими, и глубина проникновения может составлять до 15 метров. Тем не менее, во влажных или нагруженных глиной почвах и материалах с высокой электрической проводимостью проникновение может составлять всего несколько сантиметров.

Таблица 1. 

Основные характеристики георадара

Минусы:

Наиболее существенное ограничение производительности георадара в материалах с высокой проводимостью, таких как глинистые почвы и почвы, которые загрязнены солью. Производительность также ограничена рассеянием сигнала в неоднородных условиях (например, каменистых почвах).

Другие недостатки доступных в настоящее время систем георадара:

Рисунок 2. Радараграмма

Интерпретация радарограмм, как правило, не является интуитивно понятным для новичка.Для эффективного проектирования, проведения и интерпретации опросов георадара необходимы значительные экспертные знания.

Относительно высокое потребление энергии может быть проблематичным для обширных полевых исследований.Радар чувствителен к изменениям в составе материала, обнаружение изменений требует движения. При просмотре стационарных предметов с использованием радиолокатора, проникающего сквозь поверхность или вглубь земли, необходимо перемещать оборудование, чтобы радар осматривал указанную область, выявляя различия в составе материала. Хотя он может идентифицировать такие предметы, как трубы, пустоты и почву, он не может идентифицировать конкретные материалы, такие как золото и драгоценные камни. Это может, однако, быть полезным в обеспечении подповерхностного картографирования потенциальных карманов, несущих драгоценные камни, или «пустот». Показания могут быть смущены влагой в земле, и они не могут отделить несущие драгоценные камни карманы, не содержащие драгоценные камни. [4, с.79-80]

При определении возможностей глубины частотный диапазон антенны определяет размер антенны и возможности глубины. Интервал сетки, который сканируется, основан на размере целей, которые необходимо идентифицировать, и требуемых результатах. 

Скорость, с которой распространяется радиолокационный сигнал, зависит от состава проникающего материала. Глубина до цели определяется на основе количества времени, которое требуется радиолокационному сигналу для отражения обратно на антенну устройства. Радарные сигналы распространяются с разными скоростями через разные типы материалов. Можно использовать глубину для известного объекта, чтобы определить конкретную скорость, а затем откалибровать вычисления глубины.

Список литературы:

1. Владов М.Л., Старовойтов А.В. "Георадиолокационные исследования верхней части разреза", Учебное пособие / Издательство Московского университета, 1999 год.
2. Техника обнаружения и обезвреживания мин, Иностранная печать о техническом оснащении полиции капиталистических государств / ВИНИТИ - 1996 - №4, с.13-26.
3. Daniels DJ (ed.) (2004). Ground Penetrating Radar (2nd ed.). Knoval (Institution of Engineering and Technology). pp. 1–4. ISBN 978-0-86341-360-5.
4. Кулижников А.М., Шабашева М.А., "Георадары в дорожном строительстве", М., 2000 – 52с (Автомобильные дороги: Обзорная информация/ Информавтодор, вып.2).