Исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Хакиев, Зелимхан Багауддинович

• Хакиев, Зелимхан Багауддинович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Хакиев, Зелимхан Багауддинович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ОБЪЕКТОВ ИНЖЕНЕРНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ.

1.1. Метод георадиолокации.

1.2. Физические основы метода георадиолокации.

1.3. Преимущества метода георадиолокации.

1.4. Область применения метода георадиолокации.

1.5. Обратная задача георадиолокации.

1.6. Прямая задача георадиолокации.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТЕННОГО БЛОКА ГЕОРАДАРА.

2.1. Компьютерная модель антенного блока АБ-1200.

2.2. Моделирование импульса.

2.3. Расчет характеристик АБ-1200.

2.4. Расчет и оптимизация рупора для АБ-1200.

2.5. Частотные характеристики АБ-1200 с рупором.

2.6. Основные результаты Главы 2.

ГЛАВА 3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРОДОЛЬНО-СЛОИСТЫХ СРЕДАХ.

3.1. Распространение электромагнитного излучения в среде с затуханием.

3.2. Описание компьютерной модели.

3.3. Расчет теоретических радарограмм.

3.4. Влияние влажности и засоленности среды на радарограммы.

3.5. Моделирование сред с аномалиями.

3.6. Оценка применимости метода георадиолокации в конкретных геологических условиях.

3.7. Основные результаты Главы 3.

ГЛАВА 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В

СРЕДАХ С ВЛАЖНОСТЬЮ.

4.1. Моделирование распространения излучения во влажной среде.

4.1.1. Расчет электропроводности воды.

4.1.2. Выбор диэлектрической проницаемости воды.

4.1.3. Зависимость затухания сигнала от влажности среды.

4.2. Количественные характеристики радарограмм.

4.2.1. Относительная отражательная способность.

4.2.2. Определение влажности среды.

4.2.3. Средневзвешенная частота.

4.2.4. Оценка информативности амплитудных и частотных характеристик радарограммы.

4.2.5. Методика определения загрязненности щебня.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры»

В настоящее время метод подпочвенного зондирования или георадиолокация [1, 2] (в англоязычной литературе «Ground Penetrating Radar» или GPR) является одним из наиболее новых и интенсивно развивающихся методов неразрушающего контроля, способным предоставить достаточно полную и достоверную информацию о состоянии обследуемой среды. Метод георадиолокации находит широкое практическое применение для решения ряда задач - от оконтуривания месторождений [3] до диагностики состояния элементов инфраструктуры инженерных и транспортных объектов [4]. Работы по использованию подпочвенного зондирования ведутся как у нас в стране [1-4] так и за рубежом [5-6].

Применение метода георадиолокации может осуществляться при непосредственном контакте антенных блоков с исследуемой средой [7]. Вместе с этим, для повышения скорости проведения георадиолокационных обследований георадарьт устанавливаются на автомобили [8], вагоны [9] и летательные аппараты [10-11].

Современное интенсивное расширение сети автомобильных и железных дорог привело к ужесточению требований, предъявляемых к их безопасности и к необходимости проведения качественного и информативного обследования дорожного полотна.

Анализ имеющихся физических методов геодиагностики [12-17] показал, что для решения отмеченных выше задач наиболее перспективным является метод георадиолокации, позволяющий организовать систему скоростного неразрушающего контроля за состоянием объектов инженерной и дорожной инфраструктуры. В связи с этим диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов распространения электромагнитного излучения в многослойных неоднородных грунтовых средах на основе метода георадиолокации. В частности в диссертации: разработаны методы конструирования аппаратуры для георадиолокационного обследования инженерных объектов;

- рассмотрены основные закономерности и особенности в формировании георадарограмм при распространении СВЧ излучения в многослойных средах, включающих области аномалий;

- разработан метод количественной оценки свойств среды по отраженному электромагнитному сигналу;

- предложены критерии оценки возможности использования метода георадиолокации для решения конкретных прикладных задач;

- созданы оборудование и технология для диагностики структуры грунта и поиска инородных объектов, включая взрывные устройства.

Актуальность темы исследований. Физические и геофизические методы исследования многослойных неоднородных сред (грунтов) находят в последнее время все более широкое применение в технике [3, 8, 12]. Это связано в первую очередь с тем, что применяемые сегодня разрушающие методы (пенетрация, отбор проб грунтов бурением и т.д.) не позволяют получать информацию об обследуемой среде в нужном объеме и сопряжены со значительными временными, трудовыми и материальными затратами.

Практически значимые результаты можно получить, комплексируя эти методы с методами неразрушающего контроля: георадиолокацией [1, 2], сейсморазведкой [15-16], электроразведкой [13-14] и др.

С помощью метода георадиолокации, сегодня решаются такие задачи, как качественное определение положения границы раздела грунтовых слоев [4-6], уровня залегания верхней границы грунтовых вод [7], диагностика состояния элементов инженерных объектов [8-10] и т.п.

Георадиолокационный метод обследования имеет ряд преимуществ перед отмеченными выше разрушающими методами в скорости, экономичности и эффективности использования [12]. Однако, не смотря на очевидную привлекательность использования метода георадиолокации [2, 7], существуют и проблемы применения данного метода. Главная трудность заключается в том, что при использовании универсальной георадиолокационной аппаратуры в условиях сложной инженерной инфраструктуры возникает ряд трудностей при интерпретации получаемой информации, связанных с помехами, от которых необходимо избавляться [18], а также с особенностями распространения волн в грунтовых средах с аномалиями или включениями [19]. В связи с этим разработка методов количественной интерпретации и совершенствование аппаратуры для работы в указанных условиях является актуальной задачей. Кроме того, метод георадиолокационного зондирования относительно молодой и его теория все еще не сформирована в необходимом объеме. Так для достоверной интерпретации георадиолокационных данных (обратная задача георадиолокации) необходимо исследовать механизмы распространения излученных радиоволн в грунте, особенности отражений от объектов, влияние влажности и других свойств среды (прямая задача георадиолокации).

Таким образом, представляется актуальным исследование особенностей использования метода георадиолокации в условиях развитой инженерной инфраструктуры, механизмов формирования отраженных сигналов в многослойных неоднородных средах, а также применение метода для обнаружения, в частности, взрывных устройств и других опасных включений в грунте. Результаты данных исследований повысят эффективность и достоверность данного метода при использовании в условиях сложной инженерной инфраструктуры. Предложенные подходы помогут оценить возможности использования метода георадиолокации для решения конкретных прикладных задач.

С практической точки зрения актуальность работы связана с разработкой методов конструирования аппаратуры для георадиолокационного обследования железнодорожного пути на основе решения прямой задачи георадиолокации. Выполненные исследования позволяют более детально и качественно интерпретировать данные, получаемые георадарами и, следовательно, более точно восстанавливать подземную структуру обследуемых грунтов. Кроме того, на основе использования георадиолокационного метода создан и апробирован программно-аппаратный комплекс для диагностики балластной призмы и поиска инородных объектов, включая взрывные устройства.

Целью работы является исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научные задачи:

1. Исследование влияния электрофизических свойств, среды на характеристики радарограмм.

2. Решение прямой задачи георадиолокации для оценки возможности применения метода при решении задач диагностики инженерных объектов.

3. Разработка метода и аппаратуры для обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте.

4. Расчет и конструирование антенных блоков георадаров с заданными электрофизическими свойствами для применения в условиях сложной инженерной инфраструктуры.

Научная новизна работы. В работе впервые:

- исследован характер влияния электрофизических свойств среды и ее аномальных зон на радарограммы;

- разработан метод количественной оценки свойств грунтовых сред по отраженному сигналу;

- оценены возможности метода георадиолокации при диагностике инженерных объектов решением прямой задачи георадиолокации;

- разработаны методика и аппаратура для обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте, путем сравнения радарограмм и выявления на них аномальных участков;

- разработаны требования к аппаратуре для обследования объектов инженерной инфраструктуры.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Теоретическое исследование затухания электромагнитного излучения в средах с различными электрофизическими свойствами для оценки применимости метода георадиолокации.

2. Метод количественного определения электрофизических характеристик продольно-слоистых сред в скоростном режиме обследования.

3. Метод обнаружения инородных объектов в однородных слоистых средах, адаптированный для применения на железнодорожном пути.

4. Оборудование с заданными физическими параметрами для применения в условиях сложной инженерной инфраструктуры. Достоверность полученных результатов определяется использованием при теоретических исследованиях современных апробированных представлений волновой теории электромагнитного излучения [20], современных методов вычислений и обработки данных [21-24], библиотек компьютерных алгоритмов [25-27]. Все теоретические выводы и полученные результаты подтверждались лабораторными и натурными проверками и испытаниями [28-30].

Научная и практическая значимость. Применение георадиолокационного метода для подпочвенного зондирования имеет ряд преимуществ перед другими геофизическими методами. Основными преимуществами являются высокая производительность метода, скорость проведения обследования, экономия временных и трудовых затрат, скорость получения достоверной и качественной информации. Вместе с этим, теория метода георадиолокации и опыт его использования для диагностики железнодорожного пути требуют дальнейшего развития. На основе полученных в работе результатов созданы неразрушающие методы определения засоренности балласта и подсчета числа деформаций земляного полотна. Эти методы используются на объектах СевероКавказской и Горьковской железных дорог в процессе текущего содержания, капитальных ремонтов и реконструкций железнодорожного пути, контроля проведенных ремонтно-восстановительных работ. Разработанный метод обследования грунтов лег в основу создания прототипа радиоуправляемого самоходного устройства для обнаружения на наличие потенциально опасных включений, в том числе взрывных устройств.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и опубликованы в материалах следующих конференций: девятой всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности» в 2006 году, г. Санкт-Петербург; третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства1 и эксплуатации железнодорожного пути» в 2006 году, г. Москва; второй, третьей, четвертой и пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика» в 2006-2009 годах, г. Геленджик; третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» в 2009 году, г. Москва.

Материалы диссертации отражены в следующих работах:

1. Явна, В.А. Георадарное диагностирование железнодорожного земляного полотна. / В.А. Явна, В.И. Грицык, А.А. Попов, В.В. Ковдус, З.Б. Хакиев // Вестник РГУПС. Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2005. -№2. -С.93-99.

2. Колесников, В.И. Георадиолокационные признаки областей с аномальными физическими свойствами. / В.И. Колесников, В.А. Явна, В.В. Ковдус, В.Л. Шаповалов, З.Б. Хакиев // Вестник РГУПС.

Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2005. -№3. -С.124-127.

3. Явна, В.А. Антенна для скоростного мониторинга железнодорожного пути. / В.А. Явна, В.А. Попов, В.В. Ковдус, З.Б. Хакиев // Вестник РГУПС. Железнодорожный путь и транспортное строительство. -2006, -№2. -С.20-23.

4. Khakiev, Z.B. Improving GPR monitoring of track ballast and railway structural integrity / Z.B Khakiev, V.A Bilalov, A.V Morozov and V.A. Yavna // First break, March 2009. V. 27. - P. 93-95.

5. Хакиев, З.Б. Некоторые особенности Амплитудно-частотных характеристик георадиолокационных трасс в средах с различной проводимостью. / Хакиев З.Б. // Известия СКНЦ Высшей школы. Естественные науки. - Ростов-на-Дону. - 2009. - Т.6. -С.41-43.

6. Колесников, В.И. Широкополосные узконаправленные антенны для обнаружения взрывных устройств в балластной призме железнодорожного пути. / В.И. Колесников, З.Б. Хакиев, Д.В. Явна, П.Ю. Петров // Труды девятой всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», Санкт-Петербург - 2006, Т. 1. -С. 279-285.

7. Явна, В.А. Широкополосные направленные антенны для мониторинга состояния балластной призмы железнодорожного пути. / В.А. Явна, З.Б. Хакиев, А.В. Билалов, В.А. Морозов // Тезисы докладов второй международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика-2006». Москва-2006. -С.82-83.

8. Шаповалов, B.JI. Георадиолокационная диагностика железнодорожного пути в скоростном режиме. / B.JI. Шаповалов, В.В. Ковдус, З.Б. Хакиев, А.А. Зарифьян, В.А. Явна, В.В. Помозов, А.В. Дудник, Б.А. Наумов // Труды третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы. проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», Москва - 2006. -С.58-60.

9. Хакиев, З.Б. Моделирование распространения импульсов электромагнитного излучения в веществе. /З.Б. Хакиев, А.В. Морозов, В.А. Явна // Тезисы докладов третьей международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2007». Москва - 2007, -С.88-90.

10. Хакиев, З.Б. Узконаправленные антенные блоки георадаров. / З.Б. Хакиев, А.Ю. Карпов, А.А. Бахарев, В.А. Явна // Тезисы докладов третьей международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2007», Москва - 2007. -С.

11. Хакиев, З.Б. Прямая задача георадиолокации. Расчеты радарограмм для сред с разной влажностью. / З.Б. Хакиев, А.А. Бахарев, А.Ю. Карпов, В.А. Явна // Тезисы докладов четвертой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика — 2008», Москва - 2008.

12. Хакиев, З.Б. Профилирование основной площадки земляного полотна и определение засоренности балласта в режиме реального времени. / З.Б. Хакиев, Д.В. Явна, B.JL Шаповалов, М.В. Окост // Тезисы докладов четвертой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2008», Москва - 2008.

13. Хакиев, З.Б. Количественная интерпретация георадарограмм влажного грунта. / З.Б. Хакиев, В.В. Помозов, В.А. Явна // Тезисы докладов пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2009», Москва — 2009.

14. Хакиев, З.Б. Математическое обеспечение для изучения динамических процессов грунтов методом сравнения радарограмм / Хакиев З.Б., Морозов А.В., Тишевской И.Н., Явна В.А. // Тезисы докладов пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2009», -2009.

15. Хакиев, З.Б. Определение свойств грунта георадиолокационным методом. / Труды третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва - 2009. - Т. 1. -С. 177-181.

16. Хакиев, З.Б. Расчет радарограмм для сред с разной влажностью. / З.Б. Хакиев, А.Ю. Карпов, В.А. Явна // Труды докладов третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва - 2009. -Т. 1. -С.151-153.

Публикации № 1-4, 7, 8, 10 посвящены применению георадиолокационного метода для обследования состояния балласта и земляного полотна железнодорожного пути. В них рассматриваются вопросы обработки георадарограмм, особенности получения информации в скоростном режиме с использованием подвижных составов.

Публикации 5, 9, 11-13, 15 и 16 посвящены особенностям распространения электромагнитных волн в средах с аномалиями в процессе обследования методом георадиолокации, решению прямой задачи георадиолокации и расчету радарограмм для сред с разными электрофизическими свойствами; определению амплитудно-частотных характеристик радарограмм, разработке метода определения засоренности балласта в режиме реального времени.

Публикации 6, 14 посвящены методу обнаружения инородных объектов в грунте, автоматической локализации инородных объектов и созданию устройства для поиска инородных тел, маскированных в грунте.

В указанных публикациях З.Б. Хакиеву принадлежат:

- анализ проблематики и постановка задачи исследования;

- проведение лабораторных и полевых испытаний и исследований;

- теоретические исследования по проблемам георадиолокации (совместно с руководителем В.А. Явна);

- теоретические исследования по изучению особенностей распространения электромагнитных волн в неоднородных средах и средах с аномалиями, расчеты радарограмм (совместно с руководителем В.А. Явна);

- систематизация и обобщение результатов (совместно с руководителем В.А. Явна);

- постановка направлений дальнейших исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Хакиев, Зелимхан Багауддинович

5.5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 5

Сформулированы основные результаты, полученные в Главе 5:

1. Исследованы особенности использования антенн георадара в условиях сложной инженерной инфраструктуры железнодорожного пути. Получены оптимальные углы атаки антенн и высоты подъема антенн над поверхностью грунта для обнаружения инородных объектов.

2. Разработана методика обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте; создана программа автоматической локализации инородных объектов в грунте методом сравнения радарограмм.

3. Создан прототип самодвижущейся радиоуправляемой тележки для обнаружения инородных объектов на железной дороге; проведены успешные испытания на участке железнодорожного пути по обнаружению маскированного взрывного устройства.