Георадиолокация и одностороннее радиопросвечивание грунтов и сред с поглощением

• Автор: Лещанский, Юрий Илларионович
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 49 с. : ил.; 20х15 см

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертация представлена в форме научного доклада, подготовленного по исследованиям, выполненным лично автором доклада, а также совместно с некоторыми участниками руководимого им коллектива.
1.1. Введение и актуальность проблемы
В 1958 г. Отдел научных работ Главного управления политехнических вузов согласовал с кафедрой, и поручил ей проведение исследований по возможности обнаружения естественных и искусственных неоднородностей в грунте на глубинах до нескольких метров волновыми методами. Тема была включена в план важнейших научно-исследовательских работ института и на много лет определила одно из основных направлений, по которому велись исследования на кафедре.
Актуальность проблемы излучения, приема и распространения при одностороннем радиопросвечивании грунтов и сред с поглощением, когда передающая и приемная антенны расположены с одной стороны от исследуемой среды, связана с конкретными задачами, которые как в 1958 году, так и в настоящее время, по-прежнему, необходимо решать на практике. Это поиск засыпанных колодцев, подземных складов и хранилищ, мест захоронения, мест закладки фугасов и противотанковых мин в металлических и неметаллических корпусах, установленных на железных, шоссейных и грунтовых дорогах, на аэродромах, а так же выявление ранее заложенных в грунт неметаллических и металлических коммуникаций, силовых и связных кабелей и проводов. Называли это «подземной радиолокацией», так как понятие «георадиолокация» еще не было принято.
Позднее, по мере расширения круга вопросов, подлежащих решению методами георадиолокации, к этим направлениям добавилось выяснение возможности опережающего контроля состояния горного массива при проходке тоннелей и строительстве метро.
1.2. Цели работы
В данной работе рассмотрены следующие вопросы:
1. Исследование электрических параметров песчано-глинистьгх фунтов ’ Д8] в зависимости от длины волны и влажности и разработка математических
елей грунта для последующего выбора диапазона волн, обеспечивающего наи-. Ьшлую возможную дальность обнаружения конкретных объектов поиска и досрочную для их опознавания разрешающую способность проектируемого геора-' .нолокатора [29,31,93,98,105].
2. Исследование электрических параметров некоторых строительных мате-дов, применяемых для возведения подземных сооружений, с целью последую-о определения контрастности и реальной возможности их обнаружения на фо-

не сигналов, отраженных от естественных неоднородностей окружающего фунта [32,39
3. Оценка электрических параметров льда, сухого и мерзлого грунтов.
4. Разработка конструкции, теоретические и экспериментальные исследования свойств щелевых антенн для георадиолокаторов, расположенных на поверхности грунта или горной породы [38, 40, 66 с.25-30, рис. 2.4, рис. 3.3, рис 4.3, 84].
5. Разработка методики расчета эффективной площади рассеяния (ЭПР) различных объектов, расположенных в грунте [66, с.38-49]. Нахождение на поверхности данного тела при его радиолокации зон Френеля в поле, отраженном по направлению к источнику падающей волны [44, с.172-177, 47, 52, 101 с.61~67]. Применение в соответствии с принципом стационарной фазы приближенного «инженерного» метода сечений [69 с.139-149, 71 с. 169-183, 90].
6. Выяснение дальности действия некоторых видов георадиолокаторов в реальных условиях. Сравнительные возможности некоторых видов георадиолокаторов. Испытания георадиолокатора с ударным возбуждением излучающей щелевой антенны малой добротности:
а) в условиях Северо-Муйского тоннеля [72],
б) в условиях строительства метро в гор. Днепропетровске [73].
7. Учет при георадиолокации коррелированных помех от обычного неоднородного песчано-глинистого грунта [67] и трещиноватого гранита.
1.3. Объекты и методы исследования
1. Проводилась подготовка песчаного и глинистого грунтов для их исследования. Создавались измерительные стенды из серийной аппаратуры, велась разработка и изготовление недостающих к ним несерийных конструкций, таких как измерительные волноводы и измерительные коаксиальные линии с целью проведения последующих исследований электрических параметров песчано-глинистых грунтов, а также некоторых строительных материалов на целом раде частот, определяемых в значительной степени конкретными аппаратурными возможностями, а также научной целесообразностью.
Измерения выполнялись в соответствии с методом «короткого замыкания». Большая часть измерений и их обработка проводилась Г.Н. Лебедевой с помощью достаточно точных номограмм, специально вычисленных ею для этих расчетов на ЭВМ типа БЭСМ-2 и Стрела-3.
Разрабатывалась математическая модель электрических параметров песча-но-глинистьгх фунтов в зависимости от длины волны, влажности, относительного содержания песка и глины и температуры грунта с применением формулы смеси Беренцвейга для составляющих фунта, и формулы Дебая для молекул воды [29, 31, 93, 98, 105] с учетом экспериментальных данных [3,6,8], найденных ранее в диапазоне сантиметровых-метровых радиоволн при температуре 18-20 °С.
2. Разрабатывались и изготавливались действующие макеты щелевых антенн, а также действующие модели этих же антенн, уменьшенные по сравнению с натуральными размерами в 4-10 раз.
применяемый в радиодефектоскопии радиовояновой метод (см. «Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий», с. 205. Глава 6. «Радиоволновые методы и средства контроля», справочник под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение. 1986, Т.1. 488 с.). Прибор содержал две щелевые антенны, предложенные автором данного доклада, УКВ генератор метровых волн типа Г4-31, модулированный внутренним модулятором с частотой 1 ООО Гц, присоединенный к передающей антенне, СВЧ диод и НЧ усилитель типа 28-И со стрелочным индикатором, присоединенные к приемной антенне. Каждая антенна представляла собой фланец с размерами 900x800 мм со щелью шириной 40 мм, питаемой четвертьволновым короткозамкнутым коробом той же ширины и высотой 450 мм. Вес каждой антенны составлял около 5 кг. У основания короба в средней части щели подсоединялся питающий коаксиальный ВЧ кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Антенны на поверхности грунта всегда разносились в плоскости вектора Н, что обеспечивало наибольшее значение пространственной развязки между ними. Сначала они перемещались будучи соединенными гибкими тягами, а затем были объединены в один жесткий блок (рис. 17).
Предельную дальность действия прибора определяла именно пространственная развязка между антеннами, которая менялась от 30 дБ на маловлажном песчаном грунте до 40 дБ при средней влажности того же грунта, и составляла на длине волны около 1.5 м (10 = 200 МГц) приблизительно те же полтора метра, например, при откачивании воды из полузатопленной полости. Изменение уровня воды прослеживалось именно до глубины 1.5 м (1965 г.).
Легко отслеживался в весенний период уровень фунтовых вод. Обнаруживались металлические предметы диаметром свыше 40 см и сдвоенные бревна, закопанные рядом, диаметром около 20 см и длиной около I м каждое, на глубине около 1м.
Вторым был создай также уадиоволновой локатор на базе переделанного радиовысотомера малых высот типа РВ-2, пересфоенного на частоты порядка 400 МГц ()_о«75 см), с двумя отдельными шестищелевыми антеннами, каждая в виде лыжи шириной 20 см и длинной 1.2 м. Питающие короба представляли собой тонкие карманы, положенные боком на верхнюю поверхность «лыжи». Для уменьшения размеров вдвое, карманы были заполнены гетинаксом толщиной 3 мм с £*4-5. Каждая щель питалась своим коаксиальным кабелем. Все кабели были одной длины и образовывали так называемую «кабельную линзу», позволяющую преобразовать поле, излучаемое выходом ВЧ генератора, в плоскую волну, излучаемую шестью синфазными щелями. Одинаковой конструкции приемная и передающая антенны, каждая весом в 4 кг, разносились в плоскости вектора Н, образуя жестко і соединенные между собой две лыжи, снабженные с обоих концов приподнятыми носками для облегчения их перемещения по траве, снеіу и неровностям поверхности. Предельная глубина обнаружения тех же предметов, которые упоминались выше, упала до 50-60 см, чем был подтвержден вывод, полученный нами ранее на основании измерений электрических параметров фунта о необходимости увеличении длины волны для достижения больших глубин зондирования. Только после