Georradar
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Georadar - radar , cuyo medio de estudio puede ser la tierra, el suelo (de ahí el nombre más común), el agua dulce, las montañas. Georadar es un método de ondas electromagnéticas de alta resolución de alta frecuencia (de 10 MHz a 1000 MHz) para obtener imágenes de suelos y estructuras terrestres. La antena se utiliza para transmitir y recuperar los pulsos de radar generados por el generador de pulsos. Luego, el pulso devuelto se procesa para obtener imágenes del perfil del suelo. Las principales aplicaciones geotécnicas son la obtención de imágenes del perfil del suelo y la localización de objetos enterrados. GPR proporciona una imagen de resolución continua del perfil del suelo con muy poca alteración del suelo. GPR no es adecuado para arcillas húmedas y limos altamente conductivos (0,15 miliohmios/m). La resolución GPR disminuye con la profundidad [1] .
Diseño de georadar
Un georadar moderno es un dispositivo electrónico complejo, cuyos componentes realizan las siguientes funciones:
- la formación de pulsos emitidos por la antena transmisora;
- procesamiento de señales provenientes de la antena receptora;
- sincronización de todo el sistema.
Así, el georadar consta de tres partes principales: la parte de la antena, la unidad de registro y la unidad de control.
La parte de la antena incluye antenas transmisoras y receptoras. La unidad de registro se entiende como una computadora portátil u otro dispositivo de grabación, y el papel de la unidad de control lo realiza un sistema de cables y convertidores óptico-eléctricos.
Historia del desarrollo de GPR
El desarrollo del georadar se llevó a cabo en diferentes países de Europa, América, Rusia, la URSS. Sobre la base de experimentos en condiciones naturales, se estudiaron métodos para construir radares especializados para sondear medios altamente absorbentes relativamente delgados. El uso de la excitación por choque de antena hizo posible estimar las características eléctricas del hielo marino a diferentes frecuencias. La primera medición por radar del espesor del hielo marino se llevó a cabo en 1971 utilizando el método de señal de pulso de video sintetizado propuesto por M. I. Finkelstein en 1969 . Este método se utilizó en el primer medidor de espesor de hielo marino por radar industrial "Aquamarine".
En 1973 se probó desde un avión la posibilidad de detectar y medir la profundidad de acuíferos en las regiones desérticas de Asia Central. Se utilizó un radar desarrollado en RIIGA con excitación por impacto de la antena mediante pulsos con una duración de 50 ns y una frecuencia central del espectro de unos 65 MHz. La profundidad de sondeo resultó ser de más de 20 m a una altitud de vuelo de la aeronave de 200 ... 400 m Se realizó un trabajo similar para piedra caliza en 1974 , para rocas congeladas - en 1975 .
Cabe destacar el uso del método de síntesis de apertura en el sistema de radar instalado a bordo de la nave espacial Apolo 17 para estudiar la superficie lunar . El sistema fue probado en 1972 desde un avión sobre los glaciares de Groenlandia a una frecuencia de 50 MHz con una duración de pulso con una frecuencia de modulación lineal de 80 µs (relación de compresión 128).
Las muestras en serie de georadar comenzaron a aparecer a principios de los años 70. A mediados de la década de 1980, aumentó el interés en GPR debido a otro salto en el desarrollo de la electrónica y la tecnología informática. Pero, como ha demostrado la experiencia, este desarrollo fue insuficiente. Los costos de mano de obra para el procesamiento de materiales no pudieron pagarse por completo y el interés en GPR volvió a caer. En los años 90, cuando tuvo lugar otra revolución científica y tecnológica, y las computadoras personales se volvieron más accesibles, el interés por GPR volvió a aumentar y no se ha debilitado hasta ahora.
Desde finales de la década de 1990, se han celebrado periódicamente congresos de investigación dedicados a este método. Se publican números especiales de revistas.
Cómo funciona
Los radares de sondeo subterráneo están diseñados para estudiar los medios dieléctricos cambiando la constante dieléctrica y/o la conductividad eléctrica. En la mayoría de los casos, los radares de penetración en el suelo se utilizan para estudios geotécnicos y de ingeniería de suelos y pruebas no destructivas de estructuras de edificios (no metálicas).
El principio de funcionamiento de la mayoría de los georadars modernos [2] es el mismo que el de los radares de pulsos convencionales . Se irradia una onda electromagnética en el medio en estudio, que se refleja en las secciones de los medios y varias inclusiones. La señal reflejada es recibida y registrada por el GPR.
Actualmente, la mayoría de los radares producidos en masa se pueden agrupar en varios subtipos que difieren en los principios básicos de funcionamiento:
- Radares estroboscópicos de penetración en el suelo: estos radares emiten principalmente pulsos de baja energía, alrededor de 0,1-1 μJ, pero muchos de estos pulsos se emiten entre 40 y 200 mil pulsos por segundo. Usando el efecto estroboscópico, puede obtener un barrido muy preciso: un radargrama en el tiempo. De hecho, promediar datos de una gran cantidad de pulsos puede mejorar significativamente la relación señal-ruido. Al mismo tiempo, una potencia de 0,1 a 1 μJ impone serias restricciones a la profundidad de penetración de tales pulsos. Por lo general, estos radares se utilizan para sondear profundidades de hasta 10 metros. Sin embargo, en algunos casos, la capacidad de "penetrar" alcanza más de 20 metros.
- radares de pulso débil: tales radares emiten significativamente menos de 500-1000 pulsos por segundo, la potencia de cada pulso ya es significativamente mayor y alcanza los 100 μJ. Al digitalizar un punto en cada pulso con un cambio diferente desde el principio, es posible obtener un radargrama en el dominio del tiempo sin activación. Al mismo tiempo, dicho dispositivo permite tomar aproximadamente un radargrama por segundo y prácticamente no permite el uso de promedios para mejorar la relación señal/ruido. Esto le permite recibir radargramas desde profundidades de decenas de metros, pero solo un especialista especialmente capacitado puede interpretar dichos radargramas.
- radares de servicio pesado con diversidad de antenas: estos radares emiten solo unos pocos pulsos por segundo, pero la energía del pulso alcanza 1-12 J. Esto le permite mejorar significativamente la relación señal-ruido y el rango dinámico del georadar y recibir reflejos de muchas capas profundas o trabajo en suelos pesados y húmedos. Para procesar radargramas, se requiere un software especial, que es suministrado por los fabricantes de dichos GPR con el GPR. Las desventajas de los radares potentes incluyen el peligro de exposición a la radio de objetos biológicos y una zona "muerta" significativa (hasta 2-3 metros de la superficie). Hay una opinión alternativa sobre la cuestión de la exposición a la radio de objetos biológicos por radares de penetración terrestre de gran potencia. Un georadar convencional toma un registro para muchos lanzamientos (esto se debe a los problemas de digitalización de la señal). Servicio pesado: realiza solo unos pocos lanzamientos por segundo (esto llevó al hecho de que para estos GPR fue necesario desarrollar un sistema de digitalización de señales no relacionado con la conversión estroboscópica). Si calculamos la energía emitida por el georadar por segundo, resulta que un georadar ordinario dispara muy a menudo, pero en pequeños pulsos. Y el de servicio pesado emite un impulso de gran amplitud, pero rara vez lo hace. La diferencia de parámetros es tal que, en el segundo caso, cae menos energía radiada sobre el objeto biológico.
Para todos los tipos de radares anteriores, es posible utilizar uno o más canales. En este caso, es condicionalmente posible dividir todos estos GPR en varias clases más:
- GPR de un solo canal: tales GPR tienen un transmisor y un receptor, la mayoría de los fabricantes de GPR tienen GPR de un solo canal.
- GPR multicanal emparejados: en dichos GPR hay varios pares de receptor-transmisor, de modo que el levantamiento del geoperfil de cada canal ocurre simultáneamente. Dichos sistemas son comunes entre muchos fabricantes extranjeros que se especializan en geoperfilado de superficies de carreteras. Dicho sistema en realidad contiene varios GPR de un solo canal y puede reducir significativamente el tiempo de creación de perfiles. La desventaja de tales sistemas es su volumen (son mucho más grandes que los de un solo canal) y su alto costo.
- georadar multicanal con apertura sintética de recepción: es el tipo de georadar más complejo, en el que hay varias antenas receptoras por antena transmisora, que están sincronizadas entre sí. De hecho, tales GPR son un análogo de un conjunto de antenas en fase. La principal ventaja de tales sistemas es un posicionamiento mucho más preciso de los objetos subterráneos; de hecho, funcionan según el principio de la visión estéreo, como si el radar tuviera varios ojos de antena. La principal desventaja de tales sistemas son los algoritmos computacionales muy complejos que deben resolverse en tiempo real, lo que resulta en el uso de componentes electrónicos costosos, generalmente basados en FPGA y GPGPU . Por lo general, estos sistemas se usan solo en georadar de servicio pesado con diversidad de antenas. Al mismo tiempo, estos sistemas son más resistentes al ruido y permiten obtener la imagen más precisa de la distribución de la constante dieléctrica subterránea.
Aplicación de georadar
El estudio con georadar es un método instrumental de diagnóstico, que se utiliza para estudiar los suelos en un sitio de construcción, así como los cimientos y las estructuras de carga de varios objetos. La investigación con georadar se refiere a métodos no destructivos y le permite determinar la estructura del suelo o estructuras sin perforar pozos ni agujeros. Además, GPR le permite detectar vacíos y comunicaciones de ingeniería debajo de la superficie del suelo.
Véase también
Literatura
- Cuestiones de radar subterráneo. Monografía colectiva / Ed. Grineva A. Yu. - M.: Ingeniería de radio, 2005.-416 p.: enfermo. ISBN 5-88070-070-4
- Radar subterráneo / Ed. Finkelstein M.I. - M.: Radio y comunicación, 1994
Notas
- ↑ Budhu, M. (2011) Mecánica de suelos y cimientos. 3.ª edición, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. ver capítulo 3.5.1 Métodos de exploración de suelos
- ↑ [1] Archivado el 21 de diciembre de 2015 en Wayback Machine - video principal
Enlaces
Levantamiento de georadar