ЭМИ СШП зондирование

Описание метода ЭМИ СШП зондирования

Метод электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования (ЭМИ СШП) основан на синтезировании изображения структуры геологического разреза или инженерного сооружения по отраженному сигналу при распространении электромагнитного импульсов наносекундной длительности. Аналогом данного метода можно считать сейсмозондирование акустическими волнами. Метод СШП разрабатывается в различных странах мира, таких как США, Франция, Япония, Швейцария и др. в течение последних 20-25 лет. Усилиями многочисленных научных групп и коммерческих фирм удалось создать аппаратуру, позволяющую зондировать объекты на глубину в несколько метров. Однако попытки увеличить глубину зондирования хотя бы до десятков метров оставались безрезультатными, т.к. не удавалось решить проблему генерирования импульсов необходимой мощности, а главное, - математической обработки сигнала. Качественный скачок в эффективности СШП-зондирования был достигнут путем создания специальной математической модели распространения электромагнитного импульса через твердые среды и применения в аппаратуре уникального генератора наносекундных импульсов. Новый метод ЭМИ СШП зондирования позволяет выявлять геологическую структуру до глубины более 100 метров. Возможна идентификация залегающих на этих глубинах слоев: песка, глины, известняков, водонасыщенных геологических разностей, нефти и т.д. Точность определения положения того или иного слоя составляет порядка 3-5 % от глубины его залегания. Возможно определение залегающих в грунте контуров инженерных сооружений, таких как фундаменты зданий и мостовых опор, свай, тоннелей, коллекторов и т.д., а также возможно выявление дефектов в подобных объектах. Круг задач, решаемых методом СШП, постоянно расширяется. Электромагнитная волна, распространяясь сквозь среду, испытывает поглощение и отражение. Два этих процесса зависят от большого количества параметров среды, таких как диэлектрическая проницаемость, проводимость, однородность, влажность, поляризуемость, время релаксации собственных колебаний и других. Любая среда обладает своим специфическим набором подобных характеристик. Теоретически можно провести идентификацию среды, измерив характеристики поглощения и отражения ею искусственного электромагнитного поля . Если при этом известно время и скорость прохождения сигнала от объекта до приемника, то легко вычисляется и расстояние до объекта. Однако в реальной жизни в любой точке зондирования идет чередование геологических пород, при этом границы разделов произвольно ориентированы в пространстве и могут иметь вкрапления других пород или пустот. В результате принимаемый сигнал является суперпозицией многочисленных отражений и затуханий, что делает процесс идентификации инженерно-геологических разностей и определение расстояния до них крайне сложным. В таких условиях достижение результата определяется возможностями решения нескольких задач: генерации электромагнитного импульса с оптимальной полосой частот и достаточной мощности, качеством приемно-передающих антенн, динамическим диапазоном принимающей аппаратуры, фактически определяющим глубину зондирования, алгоритмом обработки принятого сигнала. Предлагаемый метод ЭМИ СШП зондирования сочетает в себе новейшие достижения в области генерации наносекундных импульсов большой мощности, а также в излучении, приеме и обработке широкополосных сигналов. Основой малогабаритных наносекундных генераторов, имеющих пиковую мощность до нескольких мегаватт, являются разработанные в России новые полупроводниковые размыкающие ключи, которые по основным характеристикам на порядки превосходят зарубежные ключи аналогичного класса. На основе их использования разработана серия генераторов, обеспечивающих необходимую в СШП-зондировании полосу частот от 105 до 109 Гц. Измерительный комплекс укомплектован также широкополосными антеннами, имеющими хорошее согласование с передающими трактами и высокую чувствительность к принимаемому сигналу. Главным условием получения большой глубины зондирования и высокой точности идентификации слоев является специальная математическая программа обработки, сочетающаяся с большой экспериментальной базой данных, накопленных за годы работы комплекса. Использование экспериментальной базы данных, дающих связь между характером принимаемого сигнала и типом геологической среды, позволяет существенно облегчить получение высококачественного результата.

Обзор методов исследования свойств подстилающей среды

В настоящее время для определения параметров подстилающей среды используются различные методы, которые можно разделить на разрушающие и неразрушающие. К первым относится разведочное бурение, а из геофизических методов - сейсмоакустика, использующая взрывчатые материалы. Ко вторым - электроразведочные методы, сейсмоакустика с ударным возмущением, методы гравиметрической и магнитной разведки. По особенностям методики наблюдений можно выделить следующие варианты методов:

  • наземный;
  • воздушный;
  • подземный.

В практике изучения электрических свойств подстилающей среды более широко применяются наземные методы радиопрофилирования и зондирования. По применяемым частотам оба метода можно разделить на три большие группы:

  • методы, основанные на применении постоянного тока и токов низких частот (от 1 Гц до 10 КГц);
  • методы, использующие поля радиочастотного диапазона;
  • специфические методы разведочной геофизики.


Каждый метод имеет как конструктивные преимущества, так и недостатки. Выбор метода осуществляется, прежде всего, исходя из поставленной задачи. Главным критерием должно быть получение максимально возможного количества информации при высоких технико-экономических показателях измерительной аппаратуры. Выбор того или иного геофизического метода для решения конкретной задачи зачастую определяется отнесением этой задачи либо к разделу геологии, изучающей полезные ископаемые, либо к инженерной геологии. Большинство из перечисленных геофизических методов решает проблемы исследования полезных ископаемых. В отличие от региональных геологических исследований инженерная геология располагает весьма ограниченным количеством методов исследования. Это обусловлено тем, что решение инженерно-геологических задач тесно увязано с проблемами градостроительства, а это требует использовать методы, эффективно работающие в городских условиях. Например, большой перепад высот от зданий к мостовым в городской черте полностью исключает возможность использования методов гравиметрии; высокий уровень шума городского транспорта и каких-либо строительных работ исключает возможность использования сейсмоакустики; наличие большого количества металлических конструкций существенно затрудняет использование методов, основанных на применении постоянного тока и токов НЧ; высокий уровень электромагнитных помех из-за городского электротранспорта и городских ЛЭП исключает применение методов, использующих радиочастотный диапазон. Из-за указанных причин, в условиях города инженерная геология вынуждена использовать специфические методы разведочной геофизики, к которым могут быть отнесены:

  • радиолокационный метод;
  • метод радиоволнового просвечивания (РВП).


Последний метод является симбиозом между изучением свойств инженерно-геологической среды с помощью разведочного бурения и электроразведки. Следует кратко пояснить суть метода:

  • РВП изучает электрические свойства подстилающей среды в межскважинном пространстве;
  • РВП исключает использование металлических труб;
  • РВП требует высокой плотности скважин.


При всей своей высокой эффективности (получение физико-механических и электрических свойств подстилающей среды в межскважинном пространстве и их корреляция) РВП является в настоящее время дорогостоящим методом. В силу указанных причин основным методом, применяемым в инженерной геологии, в настоящее время во всем мире признан радиолокационный метод. Это измерительные системы типа:

  • Penetrating Radar;
  • СШП-зондирование.


Например, к первой группе относятся:

  • системы Road Scan, изучающие структуру и дефекты асфальтового покрытия;
  • аналогичные им системы в России "Грот", "Герад-2";
  • системы GSSI, изучающие структуру и дефекты стенок тоннелей;
  • системы Bridge Scan, изучающие структуры и дефекты мостовых перекрытий и т.д.


В силу своей узкой специализации системы первой группы не лишены недостатков - пункты (профили) измерений должны иметь максимально ровное покрытие. Это обусловлено тем, что подповерхностная структура выстраивается по волновой функции - функции, переносящей значения из одной точки в пространстве в другую. В результате чего наличие неровностей измеряемой поверхности резко искажает результаты исследований. Следует отметить еще один недостаток систем типа "Penetrating Radar System" - малая глубинность, которая не превышает 5 - 7 м. Это обусловлено тем, что принцип такой системы аналогичен работе радиолокатора-дальномера, который подразумевает радиопрозрачность и однородность среды для своих сигналов, то есть исключается "мутность среды" и ее неоднородность (все определения взяты из учебника "Оптика" Г.С. Ландсберга).

Предлагаемый метод ЭМИ СШП зондирования, в котором, благодаря использованию широкого спектра частот - от 80 МГц до 1 ГГц и изменению длительности импульса от 0,5 нс до 10 нс при пиковой мощности до 106 Вт, становится возможным прохождение сигнала через чугунные тюбинги, железобетонные конструкции, размытые литологические слои, в том числе через глину, воду и проч., позволяет сканировать любые инженерно-геологические объекты до глубины 150 м, получать информацию об имеющихся в разрезах нарушенных структурах и прогнозировать развитие физико-механических нарушений в пространстве, что способствует предотвращению разрушений объектов. Сверхширокополосное подповерхностное зондирование по своей сути представляет прямой аналог процесса изучения свойств диэлектрика, помещенного в широкополосное электромагнитное поле.


Аппаратура и методика ЭМИ СШП зондирования


Весь комплекс полевой аппаратуры состоит из следующих частей:
генераторы с пикосекундным фронтом импульсов, имеющих длительность импульсов 10 нс, пиковую мощность до 106 Вт и тактовую частоту следования импульсов 10 КГц;

  • приемно-передающие антенны с полосой частот 107-109 Гц;
  • приемно-регистрирующий блок с высокой помехозащищенностью, обеспечивающий запись принимаемых сигналов в полевых условиях. Все узлы измерительного комплекса полевой аппаратуры питаются от постоянного напряжения 12 В или от сети переменного напряжения 50 Гц, 220 В. Потребляемая мощность - не более нескольких сот ватт. Вес комплекса порядка 10 кг. Схема зондирования приведена на рис. 1.


Рис. 1. Схема работы комплекса ЭМИ СШП зондирования


Рис. 2. Вид комплекса ЭМИ СШП зондирования

Весь процесс зондирования одной точки занимает несколько секунд. По одной точке зондирования можно построить разрез среды в данном месте. Для получения протяженного разреза необходимо произвести зондирование в нескольких точках. Количество необходимых точек зондирования определяется следующими условиями: необходимой детальностью разреза, разновидностью исследуемого объекта (площадная геологическая съемка, фундамент здания или сооружения, свая и т.д.), глубиной зондирования. Например, для получения профиля залегания водоносного горизонта длиной 1000 метров на глубине порядка 100 метров достаточно произвести зондирование через 20-50 метров. Если на профиле 1000 метров и глубине около 100 метров необходимо определить точное расположение слоя породы, наиболее выгодного для прокладки тоннеля или коллектора, потребуется зондирование через 10-20 метров. При определении контура фундамента или при выявлении свай под фундаментом на глубине порядка 10 метров потребуется зондирование уже через 1-2 метра. Таким образом, число необходимых точек зондирования определяется решаемой задачей. Возможно зондирование через слой воды.

Обработка сигналов и построение изображения объекта
Обработка сигналов, построение изображения объекта происходит, как правило, в лабораторных, стационарных условиях и является наиболее сложной и трудоемкой процедурой метода ЭМИ СШП зондирования. Записанный отраженный сигнал подвергается математической обработке по специальной программе на мощном компьютере. Время обработки одной точки зависит от глубины зондирования и может достигать нескольких десятков минут. Скорость обработки может быть повышена за счет дальнейшего усовершенствования математической программы и мощности компьютера. Далее обработанный сигнал сравнивается с имеющейся базой данных различных сред и проходит предварительную идентификацию компонентов, входящих в данный разрез. Окончательную идентификацию среды и построение разреза осуществляет геофизик, имеющий опыт работы с комплексом при использовании базы данных исследовавшихся ранее сред. После обработки сигналов по точкам, ведется построение линейного или объемного профиля объекта. Возможно выделение особенностей строения объекта. Существенное ускорение и повышение точности работы происходит при наличии калибровочной скважины вблизи исследуемого объекта. Это позволяет откалибровать комплекс с учетом особенностей пород, характерных для данной местности.

Основные области применения метода ЭМИ СШП зондирования

  • Проведение геофизических исследований для выполнения строительных работ, сооружения тоннелей, мостов, мостовых переходов, коллекторов и т.д.
  • Выявление дефектов в сложных гидротехнических сооружениях, сваях, фундаментах и других бетонных сооружениях.
  • Определение расположения подземных инженерных сооружений и коммуникаций.
  • Археологические работы.
  • Определение расположения месторождений полезных ископаемых (твердых, жидких, газообразных).
  • Определение мест загрязнения окружающей среды (нефтью и т.д.).