Как узнать что под землей
Поиск пустот в земле
Обнаружение пустот и полостей в земле
Главная | Услуги | Поиск пустот | Поиск и определение пустот в земле
Поиск пустот в земле
Пустоты в земле таят в себе большую опасность для искусственных сооружений. Даже после возведения здания карстовые полости способны привести к его обрушению спустя годы после постройки. На автомобильных и железных дорогах такие явления нередко становятся причинами провалов и смещений целых слоев грунта, что приводит к полному разрушению участка. Причин возникновения таких пустот множество – от природных процессов до забытых подземных резервуаров, которые со временем могут разрушиться и образовать полость в земле.
Обследование карстовой полости в грунте с помощью георадара
Во время геологических изысканий участки будущего строительства обследуются с помощью бурения скважин и отбора образцов грунта на разных глубинах. Но поскольку карстовые полости являются локальными явлениями, обнаружить их таким способом крайне сложно. Для их выявления необходимо специальное оборудование – георадар, которым можно обследовать весь участок на достаточно большую глубину.
Как это работает
Георадар – это мобильный локатор направленного действия. В нем используется тот же принцип, что и в радиолокационных станциях, но в отличие от них данный прибор излучает короткие электромагнитные импульсы высокой частоты. Зная время распространения этих волн можно судить об однородности исследуемого участка и находить в нем скрытые объекты, поскольку их электрофизические свойства сильно разнятся.
Подповерхностное зондирование способно выявить пустоты не только в земле или искусственной насыпи (выемке), но даже в скальных породах. Наша компания использует георадар отечественного производства «ОКО-3», который отлично зарекомендовал себя в строительной и горнодобывающей отраслях. Он обладает следующими преимуществами:
Проконсультироваться по техническим вопросам и узнать стоимость работ можно по телефону, либо воспользовавшись калькулятором на нашем сайте.
Определение пустот в земле
Стоимость георадарного обследования:
от 90 руб./п.м.
Качественные геологические изыскания грунта БЕЗ бурения!
Одной из негативных инженерных особенностей Москвы и Подмосковья является предрасположенность местного геологического разреза к возникновению карстовых полостей (подземных пустотных образований). Поэтому определение пустот в земле входит в число наиболее важных инженерно-геологических задач, которые успешно решает наша компания.
Почему определение пустот в земле является необходимым?
В пределах территории, занимающей приблизительно от десяти до двадцати процентов общей площади Московского региона, строительство сопряжено с риском провалов грунта, которые образуются вследствие появления пустоты под землей и могут привести к обрушению строящихся или уже введенных в эксплуатацию объектов. Эта опасность еще более увеличивается под воздействием дополнительных факторов:
возрастание естественной сейсмической активности, фиксирующееся в последние годы;
высокая техногенная вибрационная нагрузка на грунты;
большое количество утечек из водопроводных и канализационных коммуникаций (часть из которых трудно поддается своевременному выявлению);
повышение уровня грунтовых вод.
Компания «ГеоГИС», благодаря многолетнему изыскательскому опыту, безошибочно проводит определение карстовых пустот в грунте на исследуемых земельных участках и может дать обоснованные рекомендации по предотвращению возможных рисков для намеченного строительства.
С использованием какого оборудования и как найти пустоту под землей?
Карстовые процессы давно и всесторонне изучаются инженерной геологией. В итоге многолетних исследований сложились практические рекомендации, облегчающие определение пустот в земле, для этой цели были изобретены и опробованы различные приборы. Наша компания посвятила длительное время глубокому изучению данного вопроса, и теперь мы можем с уверенностью гарантировать, что изыскательские методы, используемые нашей фирмой «ГеоГИС», принадлежат к числу наиболее эффективных. Поиск пустот под землей в ходе инженерно-геологических изысканий мы проводим с помощью современного геофизического оборудования:
аппаратуры для вертикального электрического зондирования и профилирования грунтовых разрезов;
приборов радиоволнового просвечивания геологических горизонтов (георадаров);
установок сейсмической геологической разведки.
Геодезические методы определения карстовых пустот в грунте, применяемые нами, основаны на существенных отличиях карстовых зон от окружающих их горных пород по ряду физических показателей:
удельному электрическому сопротивлению;
способности к поглощению и отражению радиоволн определенных диапазонов;
скорости передачи упругих колебаний.
Важно! Размер геофизической аномалии над участками грунтов, пораженных карстом, прямо зависит от размеров карстовых полостей и глубины их расположения.
Какие бывают пустоты под землей?
Сложность проблемы – как найти пустоту под землей – определяется не только размерами карстовой полости и глубиной ее локализации, но и условиями залегания горных пород на исследуемом участке. Пустоты под землей могут быть представлены тремя типами карста, каждый из которых обладает особенностями, определяющими форму его внешнего проявления и методы поиска при изыскательских работах:
Открытый карст. Закарстованные породы залегают непосредственно под почвенным слоем. В этом случае, поиск пустот под землей наиболее прост и не требует применения нашими специалистами комплекса методов. Вполне достаточно одной только электроразведки. Пустоты легко оконтуриваются, не представляет особого труда и определение степени трещиноватости породы, насыщенности пустот водой. Карстовые образования можно выявлять и по внешним признакам рельефа местности.
Карст, покрытый сверху водопроницаемыми грунтами. Задача – как найти пустоту под землей – значительно осложняется рыхлыми покровными отложениями (песками, легкими супесями). Выявлять подземные пустоты в таких условиях нам помогает знание принципов распределения влаги на границе покровных грунтов и карстовых зон. Хорошим поисковым критерием (для опытного наблюдателя) является изменение обводненности верхнего грунтового слоя, сопровождающееся соответствующим изменением его физических свойств.
Карст, отделенный от поверхности земли водонепроницаемыми грунтами. Его выявление требует применения нескольких геофизических методов, а интерпретация результатов данных измерений – по силам только квалифицированным специалистам, обладающим опытом работы на инженерно-геологических разрезах данного типа.
Важно! Заказав инженерно-геологические изыскания компании «ГеоГИС», Вы получите техническое заключение, основанное не только на результатах бурения и определении физико-механических свойств грунтов земельного участка, но и на геофизических измерениях с целью своевременного выявления карстовых пустот под землей.
Как найти водоносный слой для бурения скважины на воду своими руками
Современные домовладельцы предпочитают вместо возведения колодцев бурить на своих участках скважины. Однако и те, и другие источники водоснабжения необходимо строить на тех территориях, где есть подземные водоносные слои или горизонты, поэтому, прежде чем приступать к бурению, нужно найти это место.
Содержание:
Месторасположение водоносных слоев в грунтах
В большинстве случаев самый первый водоносный горизонт находится на глубине, не превышающей 5 метров (хотя бывают местности-исключения). Воду, добываемую с такой глубины, не используют для приготовления пищи или в качестве питьевой воды, она подходит для технических целей. Это объясняется низким качеством воды, наличием в ней вредных веществ и примесей.
Вторые слои с глубиной залегания до 20 метров больше подходят для использования воды в бытовых целях, хотя для использования её для питья необходимо при обустройстве скважин устанавливать системы фильтров.
Глубина бурения до 3-го, известнякового водоносного горизонта очень велика, и для придомовых скважин этот вид источника устраивать нецелесообразно (хотя в загородных коттеджных городках это решение практикуется для нескольких владельцев).
Чтобы точно и правильно определить глубину залегания водоносного слоя, и, соответственно, с видом оборудования, диаметром обсадных труб, бурильщики чаще всего выполняют пробное бурение.
При определении места залегания водоносов нужно учитывать, что горизонты могут иметь не только горизонтальное расположение, они уходят вглубь грунтов, поднимаются местами вверх. Кроме того, объёмы воды в слоях могут колебаться от 1-2 м&³3; до десятков кубометров.
Всё это говорит о том, что для точного определения месторасположения для будущей скважины, лучше всего использовать сразу несколько методов.
Основные методы определения водоносных горизонтов на участках
Несмотря на появление новых способов определения залегания водоносов, современных приборов и инструментов, использование старых «народных» методов, и старинных рецептов поисков воды, вполне действенно.
Метод #1: Природные явления
Хороший результат при поисках воды на территориях дают наблюдения за природными явлениями, изучая приметы, легко узнать, и выявить участок, под которым залегают воды.
Почва, под которой расположен источник, чаще всего, характеризуется высокой влажностью, обильной росой по утрам, испарениями при повышении температуры. Рано утром над такими участками всегда клубится туман, трава имеет более интенсивный зелёный окрас, и растёт значительно гуще.
Очень важно при определении места, под которым предположительно находится водоносный слой, обращать внимание на рельефные особенности. Это связано с тем, что подземные горизонты с объёмами воды повторяют линию наземного рельефа. Так, воду с большой вероятностью можно обнаружить на низменностях, в ярах, впадинах. И, наоборот, бесполезно её искать на холмах и склонах, возвышенностях.
Метод #2: Определение по растениям
Легко определить глубину залегания водных ресурсов по разновидностям растений, растущих на местности.
Есть даже определённый растения, которые точно указывают на наличие водоносного горизонта, и соответственно помочь в проблеме, как определить водоносный слой при бурении скважины. При поисках воды по видам растений нужно учитывать, наличие одного или нескольких растений не говорит о залегании водоносных слоёв, это может быть связано со случайным произрастанием. Обращать внимание нужно только на большие группы растений.
Наиболее «осведомлёнными» растениями, которые «сообщают» о залегании воды, а также о глубине её расположения являются:
заросли рогозы свидетельствуют о залегании воды на глубине около метра;
камыш песчаный сообщает о глубине водоноса в диапазоне 1,0 – 3,0 метра;
если на участке растёт чёрный тополь, то подводный источник находится не глубже 3-х метров;
кустарник сарсазан семейства Амарантовых замечен на территориях, под которыми водоносный слой залегает на глубине около 5,0 метров;
полынь часто растёт на участках с пониженной влажностью, что свидетельствует о глубине подземных вод 6-7 метров (полынь песчаная указывает даже на большую глубину – до 10,0 метров);
люцерна приживается даже на сухих почвах, и не требовательна к влажности, поэтому источник воды под плантацией этих растений может находиться на 15- метровой глубине.
Из общих примет расположения воды, на которые указывают растения, можно отметить особенности корневой системы. Так трава с небольшими корнями указывает на небольшую глубину залегания водоносных горизонтов, а заросли кустов и кустарников, рощи деревьев с длинными корнями говорят о том, что вода находится глубоко под землёй.
Метод #3: Старинный метод «глиняной посуды»
Старинный метод «глиняной посуды» использовался с давних пор. Чтобы определить месторасположение подземного источника, абсолютно сухую глиняную посуду выставляли на ночь на участках, где предполагался подземный водоносный слой, вверх дном. Признаком наличия источника в этом месте служило появление жидкости под посудой.
Современный искатели воды усовершенствовали этот старинный метод. Для определения подземного источника используют хорошо высушенный в духовке силикагель, отлично вбирающий влагу, и горшок из глины. Силикагель помещают в горшок, плотно закрывают горло тканью, и взвешивают. После этого ёмкость закапывают в грунт на глубину 1,5-2,0 метра, и оставляют на сутки. По истечении суток ёмкость выкапывают и снова взвешивают. Увеличенный вес свидетельствует о наличии подземного источника (чем больше объём влаги, которую впитал силикагель, тем больше вес, тем ближе к поверхности земли водонос).
Иногда силикагель заменяют мелкодробленым керамическим кирпичом, керамической пылью.
Метод #4: Маятники и рамки
Использование при поисках воды на участках рамок и маятников сегодня также не утратило своей актуальности. В основе этого метода лежит принцип биолокации, и поиски воды таким методом могут только профессиональные «лозопроходчики», люди с развитой экстрасенсорной способностью.
Алюминиевые (медные, стальные) проволочные рамки с загнутыми краями и ручкой из ветки бузины, как правило, имеют в длину 35-40 см. Рамками могут служить и развилки веток калины, вербы, лозы.
В качестве маятника используют небольшой груз из меди, стали, алюминия, бронзы в виде шарика, конуса, подвешенный на нити длиной 20-30 см.
Как из ДНК-секвенатора сделать георадар и увидеть все под землей
Какое-то время назад я опубликовал статью про то, как я занимался созданием ДНК-секвенатора (прибора для чтения ДНК) путём реверс-инжиниринга микросхемы. Но со временем, пока я это делал (а делал я это очень долго) этот секвенатор устарел, вышел новый, и мой проект отчасти потерял смысл, поскольку себестоимость секвенирования на новом секвенаторе Oxford Nanopore оказалась ниже, чем та стоимость, к которой стремился я. Проект заглох. С другой стороны, произошли события, которые сместили мой основной интерес в область такой вещи, как георадар. Точнее вернули его туда.
Лет 10 назад я наткнулся на ряд исследований, где применялось устройство, способное видеть, что находится под землёй — георадар. Неделю не мог оторваться, просмотрел огромное количество видеоматериалов, запомнилось название того прибора, который использовали исследователи – георадар «ЛОЗА». Ниже пример исследования Саксайуамана (Перу), на котором найдены подземные склепы, котлованы, лежащая на глубине плита, а также можно предположить наличие засыпанного когда-то дна чашеобразной формы.
Первой мыслью было: «Вау как круто! Так можно много всего интересного найти под землей. И нет других способов!» С этого начался мой интерес к данному прибору. Быстро выяснилось, что стоит он пару миллионов рублей, то есть далеко не каждому по карману. Я стал думать, как можно такой девайс сделать самому.
Из информации в интернете я составил представление о том, как устройство работает. Есть Передатчик и Приёмник. Передатчик посылает очень мощный, под несколько десятков киловольт, наносекундный электромагнитный импульс в глубь земли.
В тех местах, где меняется диэлектрическая проницаемость среды, то есть меняется тип почвы, её влажность, либо попадается инородное включение, воздушная полость, часть этого сигнала отражается обратно. Другая часть сигнала идёт дальше, глубже и отражается от какого-нибудь следующего слоя или объекта.
Различные источники подчёркивали, что в георадарах используются так называемые резистивные (resist – сопротивляться) антенны. Это специальные антенны, у которых нет «звона» — они не резонируют. Обычная антенна (рис. 1) резонирует (начинает вынужденно колебаться) на собственной рабочей частоте. Её собственные колебания не дают ей качественно воспринять полезные сигналы, приходящие в это время. Импульсы, посылаемые при помощи резистивной антенны, отличаются от классического радиоимпульса отсутствием несущей частоты – получаются ассиметричные непродолжительные импульсы (рис. 2). Если импульс отражается от среды с большей диэлектрической проницаемостью, то он инвертируется (рис. 3). Я начал соображать, как сделать такие антенны.
Сам прибор также сулил вложения: «Этот девайс так дорого стоит, поскольку наверняка там стоят дорогостоящие сверхскоростные АЦП, позволяющие очень быстро и с высокой точностью измерять амплитуду сигнала – это уже несколько тысяч долларов; не говоря уже о мощном процессоре» — думал я.
Представьте себе, что мощные 10-киловольтные импульсы длительностью в 1 наносекунду следуют один за другим, многократно отражаясь. Основная задача в том, чтобы всю приходящую на Приёмник информацию быстро оцифровать (перевести из аналогового сигнала в «понятные» электронике, возможные для дальнейшей обработки символы – ноли и единицы), проанализировать и записать. А это гигабайты нолей и единиц в секунду непрерывным потоком.
«Реализую-ка я этот девайс на компараторах для начала. Сущие копейки и многократное удешевление» — решил я. Компаратор — это простейшая электронная схема, единственная задача которой, сравнить два входящих аналоговых сигнала. Она выдает на выходе 0 либо 1, в зависимости от того, какое из двух входящих напряжений больше. То есть компаратор – это 1-битный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), позволяющий записать двоичную форму сигнала. Однако, чтобы восстановить всю амплитуду одного возвращённого из земли импульса, нужны сотни таких сравнений с разными порогами компаратора. Моё сверхбюджетное решение не могло похвастаться скоростью и эффективностью.
В общем, я медленно обдумывал подходы к реализации прибора, пока не познакомился с Владимиром Зубовым и не занялся всерьёз реверс-инжинирингом ДНК-секвенатора, о чём впоследствии опубликовал на habr.com статью. Всё это время я продолжал с интересом следить за георадарными исследованиями, но времени на всё не хватало. Каково же было моё удивление, когда цепь случайных событий привела меня в ту же точку с совершенно с другой стороны.
Три-четыре года назад я переехал жить под Троицк. Как раз тогда опубликовал статью про секвенатор, сидел разбирал входящие. Сам Jonathan Rothberg предложил мне start-up, но что-то не заладилось, было много других отнимающих время входящих — в общем был полностью погружён в последствия публикации. Неподалеку от нашего дома на поле были огромные антенны на мачтах (ну очень здоровые), частенько ходили туда с квадрокоптером. Я заинтересовался ими, стал гуглить «большие антенны, Троицк», наткнулся на сайт rk3b.ru c интригующим названием «Школьный Центр космической связи», позвонил туда и напросился в гости – сам радиолюбитель.
Так я познакомился с Александром Николаевичем Зайцевым, заслуженнейшим человеком, который этот Центр возглавлял. Оказалось, что он много лет занимался исследованиями магнитосферы Земли в ИЗМИРАН и заодно знал весь научный бомонд г. Троицка. Разговорились, я упомянул, в том числе, про свой интерес к георадарам. Александр Николаевич в свою очередь рассказал мне про антенны на поле. Они оказались чисто любительскими: известный радиолюбитель В. Н. Комаров, будучи при этом успешным предпринимателем, собрал команду энтузиастов КВ связи, на свои деньги создал суперцентр и такие антенны, что они стали самыми лучшими в эфире. Подтверждение тому – первые места в соревнованиях на первенство мира по КВ-связи.
А через некоторое время А. Зайцев познакомил меня с людьми из ООО «Компания ВНИИСМИ», которые (сюрприз!:) и занимались георадарами «ЛОЗА». Я встретился с П. Морозовым и А. Беркутом, её возглавлявшими. Они с радостью меня приняли, и мы во многом сошлись. Представьте себе моё изумление, когда они рассказали, что их устройство, георадар ЛОЗА, продаваемый по цене 25 000$ в базовой комплектации, работает на компараторах! И что они как раз очень давно мечтают сделать устройство на аналого-цифровом преобразователе (АЦП), который позволил бы прибору работать быстро. И что попытки разные были, но никак успехом не увенчались. В общем, высказали полнейшую свою заинтересованность в разработке.
Впоследствии я получил полную информацию о том, как работает георадар «ЛОЗА». Там и правда не было ничего кроме компараторов и нескольких микросхем, лучшая из которых, впрочем, была самой передовой в семействе FPGA лет 20 назад. Становилась понятна главная жалоба ВНИИСМИ на свой прибор: надоело пальцем жать на кнопку. Ведь что такое работа на компараторах: для одного измерения (измерения в одной точке) нужно последовательно послать в землю 128 импульсов, что занимает от секунд до 2 минут, в зависимости от передатчика. То есть прибор работает по принципу: нажал на кнопку, постоял-подождал, передвинул прибор дальше по рулетке на 10 см. (действительно расстилается по земле рулетка, чтобы двигаться с шагом в 10 см.) и так далее. Представляете себе скорость такой работы? Кстати, блок управления либо компьютер подключаются к Передатчику проводом, поэтому для съёмки необходимы минимум 2 человека: тот, кто перемещает георадар, и оператор, идущий за ним на проводе.
Также мне представилась возможность изучить несколько разных георадаров – серийных устройств и прототипов разных производителей и разработчиков.
Например, вот эта большая тяжёлая коробка весит килограммов 5 или около того; внутри там стоит АЦП на 1800 Мегасемплов в секунду, каждая плата в отдельном корпусе и с отдельным экраном – в итоге много лишнего веса и большие габариты, что сделало прототип невозможным к использованию в принципе; он не работал.
Другой прототип был поудачнее, но проблема была в том, что его надо было очень долго настраивать; иногда он не включался, сбоил. Вообще, одна из проблем георадара — это необходимость работать в очень большом динамическом диапазоне. Импульс, который отправляется под землю, по мере прохождения сквозь неё очень быстро затухает. Чтобы увидеть и первый отклик этого импульса, и отклик, пришедший глубоко из-под земли, нужны усилители и АЦП, способные принимать и различать как очень сильные сигналы, так и очень-очень слабые. Вот эта амплитуда и называется динамическим диапазоном. В данном прототипе для этого использовался двухканальный усилитель — один канал усилителя работал с сильными сигналами, а другой со слабыми. То есть было 2 канала оцифровки, которые, к слову, никак не удавалось свести воедино. Регулируя усиление, прибор можно было настроить на какую-то глубину и в ней он что-то видел. Но не выше, не ниже заданного уровня он не видел, пока его не перенастроишь на иные параметры. Кроме того, у прототипа была очень большая чувствительность к помехам.
Итак, я начал проектировать собственное высокоскоростное, мощное устройство. Работа предстояла громадная, но были и хорошие новости: часть работы была уже проделана — за основу я взял ту электронику, которую (та-дам. ) я разработал для ДНК-секвенатора.
Работа над георадаром и комплексом программного обеспечения заняла около года. Я добился не только полной автоматизации, высоких скоростей, возможности управлять георадаром с любого устройства, мне удалось создать, по сути, универсальное ядро под любой высокотехнологичный проект: система на модуле (Zturn) → система на кристале Zynq → связка работы FPGA+CPU+Linux+Django+WebSockets+Javascript… Впрочем, оставлю интригу. Чтобы не утомлять читателя, выношу техническую часть в отдельную статью.
Разработанный мною прибор представляет из себя 2 устройства – Передатчик и Приёмник, у каждого своя антенна. Сейчас размеры устройств 22,2 х 14,6 х 5,5 см., в следующей партии планируется ещё уменьшить габариты. Для исследований на небольшой глубине применяются стандартные метровые антенны. В зависимости от длины и мощности антенн глубина зондирования на благоприятных почвах может достигать нескольких сотен метров. Для перемещения георадара может быть использована ручная переноска, платформа на колёсиках, складные/гибкие антенны глубинного зондирования с посадочными местами под Приёмник и Передатчик; под спец. задачи могут быть созданы иные средства перемещения (например, надувные – для исследования подводных объектов).
Платформа с георадаром может быть прикреплена к транспортному средству, георадар способен производить съёмку в автоматическом режиме на скорости до 40 км/ч (то, что мы протестировали, вероятно и больше). Регистрация перемещения прибора осуществляется при помощи датчика колеса и GPS. Все процессы автоматизированы, прибор лёгок в управлении, не требует дополнительного оператора, со съёмкой справится и один человек. Приоритеты: мощность, компактность, лёгкость, пассивная охлаждаемость, возможность комплектации с различными средствами перемещения и антеннами разной мощности. Эти две небольшие коробочки – могут стать сердцем георадарного комплекса любой мощности. Дальше скучное, спецификация:
• Частотный диапазон (МГц) 1-300
• Частота следования зондирующих импульсов до 1000 импульсов в секунду (при максимальной частоте импульсов при движении со скоростью 36 км/ч интервал измерений составит 1 мм)
• Тип импульса: широкополосный видеоимпульс, без несущей частоты
• Мощность в импульсе 5 МВт
• Длительность импульса 1 нсек
• Приёмник: частота дискретизации 1GSPS (1нсек)
• Режим регистрации АЦП 16 бит
• Усилитель логарифмический
• Динамический диапазон изменяемый до 120 Дб
• Временные развертки (количество отсчетов в одном сигнале зондирования) 16000
• Автоматическая синхронизация с передатчиком
• Встроенная память 64 Гбайт
• Дополнительные датчики: барометр, акселерометр (измерение угла наклона прибора), GPS, энкодер колеса
• Управление кнопками на приборе или через wifi с любого устройства. Есть web интерфейс, программа для PC
• Время работы от встроенной батареи 4 часа, возможно присоединение внешнего аккумуляторного блока (+12 часов)
• Встроенный генератор тестового сигнала
• Габаритные размеры 222 х 146 х 55 mm (х 2)
• Стандартные антенны имеют центральную частоту 100Mhz (1,5м), 200MHz (1м). Существуют также низкочастотные антенны для глубокого зондирования 10MHz (10м), 25Mhz (6м), 50Mhz (3м) (в скобках размер антенн, а не глубина зондирования). Увеличивая длину антенн – увеличиваем глубину зондирования. Важно отметить, что глубина зондирования зависит также от мощности передатчика и от плотности/свойств грунтов. Таким образом, всегда можно увеличить антенны, поэтому глубина зондирования может достигать 500 м.
Георадар готов к работе сразу — после нажатия кнопки «ON» георадар начнёт вести съёмку и записывать всё во внутреннюю память. Он может работать абсолютно автономно, без подключения к нему оператора.
Устройство раздаёт wi-fi, подключиться к нему можно с любого компьютера, планшета, телефона через web браузер. Вы попадаете в программу, позволяющую управлять устройством, менять настройки, видеть текущий трек. В верхней строке интерфейса различные статусы, позволяющие понять, что происходит в данный момент: напряжение аккумулятора, температура на процессоре, время, время работы, GPS данные. Ниже вкладки и кнопки настройки триггеров, offsetов, логарифмической шкалы, зума, режимы работы.
Прибор может производить одно измерение по нажатии кнопки, либо по времени, например, каждые 0,3 секунды, либо измерения могут быть синхронизированы с работой колеса, например на каждую четверть оборота колеса происходит срабатывание, то есть Передатчик посылает импульс, а Приёмник его принимает и записывает. Последний режим очень удобен, так как позволяет привязать платформу с георадаром к машине, например, и производить равномерные измерения независимо от скорости движения.
Первый запуск был произведён совместно с представителями ВНИИСМИ на строящейся асфальтной дороге на юго-западе Москвы. Вот так выглядела инсталляция моего прибора: 2 антенны на платформе максимально близко к земле, белая коробочка — это Передатчик, чёрная — Приёмник.
Заранее было выбрано место, где в разных точках под землей лежали коммуникации. По плану было определить такие точки сначала прибором Лоза, а затем тоже самое место посмотреть моим прибором. Пока ВНИИСМИ свой прибор настраивали, я с пол оборота завёлся и проехался, и всё увиделось. Вот первая картинка, полученная с моего прибора. Мы подошли к рабочим, которые в это время занимались там строительством дороги и сверили результаты наших съёмок с картами коммуникаций, которые были у них – всё совпало, там действительно были пластиковые трубы 200-го диаметра на глубине 2 м. Это был успех.
На картинке ниже кусок той же съёмки строящейся дороги. Справа вы видите извивающийся столбик — это осциллограмма импульса. Маленькая пика вверху — это тот импульс, который сгенерировал Передатчик, а всё что ниже, это то, что приходит на Приёмник со всех сторон, но в основном из под земли. Большая цветная картина рядом с осциллограммой импульса — это набор таких столбцов, то есть каждый пиксельный столб это 1 импульс, только здесь амплитуда переведена в цвет. Красная полоса в верхней части цветной картинки — это уровень земли. Дальше импульс уходит в землю, и ниже мы видим всё, что отразившись прилетело на Приёмник. Небольшие сине-красные бугорки чуть ниже второй красной полосы и есть пересечение диаграмм направленности антенн с точечными объектами в виде труб. То есть, в тех местах, где по ходу движения прибора мы пересекаем трубы, трубы дают вот такой вот радио-образ, причём в некоторых местах видно две трубы, если увеличить.
Также здесь видны большие размытые параболы, которые идут до конца картинки вниз — это отражение по воздушному каналу от различных объектов, в данном случае линий электропередачи, которые стояли рядом. На мой взгляд, это большая проблема, которая не нашла пока решения в известных мне разработках. Информация об отражениях вне исследуемой среды явно лишняя, она отвлекает внимание и мешает интерпретации полезного сигнала, поскольку постоянно надо анализировать окружение и решать из-под земли пришло это отражение или по воздуху. Поэтому в планах программно-аппаратными средствами минимизировать отражения по воздуху.
Вот на этой картинке — ручей, закопанный при строительстве дороги; видно русло на глубине порядка 2 метров. Ниже на этом участке тоже были большие параболы — отражение от столбов освещения, вдоль дороги.
У меня рядом с домом есть река Незнайка с очень интересной геологией, где всё как в учебнике: есть старое русло, четвертичные отложения, аллювий, речные террасы. Там тоже мы ходили с ребятами из ВНИИСМИ испытывали, сравнивали работу разных георадаров. Здесь в конце видно старое русло реки, а большие зелёные параболы — это отражение забора соседнего посёлка на металлических столбах. Как видите, только человек уже знакомый с принципами интерпретации таких картинок, сходу определит, что это русло реки, а это отражение от забора. Таким образом, сама форма вывода данных существенно ограничивает круг людей, способных легко начать работать с георадарами. И здесь, по-моему, очень интересная задача стоит — перевода этих данных в понимаемую любым пользователем картинку. Выполнена эта задача может быть с применением искусственного интеллекта (нейросети), который можно обучить маркировать, обозначать реальные контуры объектов и предполагать их назначение и свойства. Также решить проблему нечитабельности данных помогут объёмные построения, но об этом дальше.
На картинке ниже очень интересный рельеф (съёмка произведена 22.07.2020 в Ивановской области, д. Калинкино): видна какая-то продолговатая структура — скорее всего это слой песка либо ещё какого-то менее плотного, чем превалирующие в наших краях суглинки, грунта. У меня есть мысль полностью автоматизировать идентификацию слоёв. Как мы определили выше, волна отражается от тех мест, где происходит изменение диэлектрической проницаемости среды. Мы можем померять скорость прохождения импульса на том или ином ярусе этой картинки и предположить состав среды и/или степень её влажности.
В конце лета мне удалось съездить в археологическую экспедицию под Рязанью близ села Терехово Шиловского района на место стоянки/поселения пятого века. Там на схождении двух рек есть холм, поросший деревьями – остались многочисленные свидетельства, что в пятом веке там было Городище. Стали ходить там с георадаром — на первом рисунке наш трек по GPS. В центре очень густо росли деревья, мы смогли пройти по периметру, дальше деревьев было меньше и мы всё довольно плотно исходили. У меня была возможность воспользоваться программой, которая анонсировалась, как программа позволяющая строить 3D модель из линейных проходок. Такого результата ждали от меня археологи — «построим и увидим наглядно что где зарыто». Лучше всего подобные построения делать из хорошо (плотно) исхоженных участков. Я загрузил в программу область с самыми плотными проходами и вошёл в режим 3D – программа выстроила поле из цветовых столбиков, которые можно было «вытягивать» вниз и вверх, меняя настройки, больше никаких возможностей я не увидел – проконсультировавшись выяснил, что программа строит лишь псевдо 3D.
Представим, что у нас есть некие столбцы, которые нам известны, где георадар сверху проехал, и мы знаем, что вертикально вниз в этой точке находится. Следующая задача, это достроить недостающие столбцы аппроксимацией, что и сделала программа. Но сделала она это банально решёткой по 2 осям. В результате такого построения возникают различные артефакты – крестообразные, из горизонтальных и вертикальных линий. Если мы берём какой-то срез 3D плоскости, мы имеем цветную картинку из среза столбиков, которые программа просто вверх либо вниз вытягивает в зависимости от амплитуды сигнала.
Настоящее 3D построение несколько сложнее — из физически отснятых на разной глубине точек нам надо выявить некие плоскости, переходные плоскости из одного в другое и дальше с помощью пользовательского интерфейса иметь возможность выбирать отдельные плоскости, которые нам необходимо отобразить.
Построение объёмной модели — это вообще отдельная очень интересная задача. Сейчас обдумываю идею использовать одну антенну с Передатчиком и 2 разнесённые друг от друга антенны с Приёмниками, то есть 2 Приёмника. Получается своего рода фазированная антенная решетка. По времени прохождения сигнала, точнее по разнице во времени приёма его первым и вторым Приемником, можно определить точное место, где этот сигнал отразился. Таким образом мы можем за одно измерение, измерение одиночного импульса, сразу выстраивать картинку в 2D плоскости. В обычной радиолокации используются несущие частоты, преобразования Фурье, построения по синусам и косинусам. В данном же случае используется несколько отличная математика: на основании данных об отражении одиночного наносекундного импульса мы делаем свертку и дальше высчитываем откуда этот импульс пришёл с какой вероятностью. Эта идея сейчас в стадии написания софта, который позволит сразу в процессе прохода моделировать 3D картинку, а также измерять скорость прохождения импульса в слоях, что позволит сразу предполагать состав и качество сред.
Где может быть использован георадар?
Самые верхние под поверхностью земли слои называют «культурным слоем» — это археология, прекрасно видны отдельные объекты, фундаменты строений, видны даже копаные и засыпанные когда-то ямы. Так, есть очень интересная задача связанная, например, с пустыней Сахара. Сахара расширяется, и многие археологи сходятся во мнении, что под её песками погребены города и строения. Во времена Египта там была саванна, текли реки, жили животные. Георадар может просканировать всё до грунта, и найти там строения и поселения. Это собственно единственный прибор, который способен это сделать.
Кстати, глубина сканирования зависит от плотности и типа грунта, его минерализации, влажности. Песок — это тот грунт, в котором георадар видит наиболее глубоко. Вторая такая очень проницаемая для георадара среда — это лёд. Так, георадар может быть применён и для подповерхностного зондирования водных объектов. В солёной воде глубина зондирования будет наименьшей, в пресной воде больше, и самое глубокое зондирование может быть произведено во льдах.
Еще одно применение георадара — это поиск подземных коммуникаций, труб, ходов, тоннелей. Можно очень эффективно контролировать качество дорожного строительства — какой толщины песчаную подложку положили, равномерно ли уложен асфальт. Так же можно проверять состояние фундаментов и стен строений. Можно мониторить состояние дорожного полотна во время эксплуатации, чтобы вовремя предпринять меры в случае подмыва дороги, образования карстовых полостей, пока это еще не привело к провалу. Подмывы случаются и под фундаментами зданий, сооружений. Так, причиной разлива нефти в Норильске было то, что был подмыт фундамент нефтехранилища. Регулярные проверки подобных объектов, помогли бы успешно подобные катастрофы предотвращать.
Геология. При георадарной съёмке прекрасно видно границы рек, выходы известняков, где какие слои пород находятся, видны кимберлитовые трубки, морены. По косвенным признакам можно определять подземные воды. Так, вода просачивается вниз пока не встретится какой-то слой, через который она просочиться не может, и скапливается на границе слоёв в низине. Также можно прогнозировать и предотвращать сходы селей, оползни. Георадар может быть полезен в разведке полезных ископаемых, в том числе может использоваться при бурении.
В декабре 2020 года базовая версия прибора успешно прошла испытания и была сертифицирована. Георадар получил Название GEORA X20.
Готовится к выпуску первая небольшая партия. Цель — начать получать более широкий опыт практического использования и на основании этого опыта выявить возможности по улучшению удобства пользования, функциональности. Вторая задача — создание программного обеспечения следующего поколения, которое сделает наглядным и удобным анализ данных даже для неподготовленного пользователя.
К широкому выпуску планируются 2 версии: для частного использования и для коммерческого. Есть возможность кастомизировать оборудование и софт под любые задачи.
Глобальная цель — сделать георадар вещью более массовой, доступной по цене человеку, интересующемуся историей, археологией. Доступной индивидуальным предпринимателям, которые работают в сфере проектирования, строительства, экспертизы, исследования недр. Широкое распространение прибора сформирует сообщество пользователей. В планах — создание централизованной базы данных измерений. Чтобы любой, при желании, мог отправлять данные сканирования на сервер, делиться ими на возмездной или безвозмездной основе. Кроме того, больший массив данных позволит эффективнее обучить нейросеть интерпретации результатов сканирования и понятной обычному человеку визуализации.