Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Развита аналитическая теория распространения и обратного рассеяния электромагнитных импульсов в плавно-неоднородной подповерхностной среде. Наряду со строгими численными расчетами, рассмотрение упрощенных моделей, допускающих аналитическое решение, полезно для лучшего понимания теории и интерпретации экспериментальных результатов. Хорошим примером являются обратные сигналы георадара от плавных градиентов диэлектрической проницаемости грунта. Такие затянутые сигналы, встречающиеся при глубинном георадарном зондировании, обычно приписывались низкочастотным шумам в приемном устройстве или посторонним источникам и устранялись с помощью "успокаивающих" фильтров. Однако, как подтверждается практикой применения низкочастотного георадара и модельными численными расчетами, они могут возникать на плавных вертикальных градиентах подповерхностной среды и давать полезную информацию для обнаружения карстов, грунтовых вод и границ вечной мерзлоты. Поскольку отраженные волны в плавно неоднородной среде могут быть экспоненциально малы, они могут лежать за пределами точности методов, основанных на геометрической оптике. В данном проекте мы используем более точный подход, разработанный в наших работах и основанный на приближении связанных волн ВКБ, преобразованном во временную область. Рассматривается реалистичный сценарий георадарного зондирования с учетом конечной длины и неоднородного распределения тока в передающей антенне. Метод связанных волн дает аналитическое представление электромагнитного импульса, излучаемого с поверхности земли, распространяющегося в горизонтально-слоистой подповерхностной среде и частично отражающегося на плавных градиентах диэлектрической проницаемости. В рамках данного проекта найдено приближенное аналитическое решение задачи максимально приближенной к геометрии и параметрам реальных антенн глубинного зондирования: лежащая на границе раздела земля-воздух полупроводящая лента с сопротивлением, растущим к концам вибратора по закону Ву-Кинга, импульсное возбуждение осуществляется разрядом высоковольтного конденсатора в разрыве диполя. Постановка задачи завершается выводом интегро-дифференциального уравнения аналогичного уравнениям Халлена и Леонтовича-Левина. На практике, чтобы избежать чрезмерных вычислительных трудностей, используется физически оправданная аналитическая модель распределения тока в резистивно-нагруженной антенне георадара, основанная на результатах классических экспериментов. Наряду с аналитическим подходом, в проекте используются численаные алгоритмы решения волновых уравнений, такие как метод конечных разностей во временной области (FDTD). Одной из проблем при таких расчетах является эффективное ограничение бесконечной области при дискретизации волнового уравнения. Для устранения возникающих при этом паразитных отражений разработаны различные варианты искусственных граничных условий, минимизирующих этот эффект, таких как импедансное условие Леонтовича-Фока («Robin BC» в западной литературе) или «идеально согласованный слой» (perfectly matched layer, PML). При рассмотрении квази-одномерного распространения волн, описываемого параболическим уравнением теории дифракции, идеальным решением является использование точного условия прозрачности], известного как граничное условие Баскакова-Попова. В задачах георадарного зондирования граничное условие прозрачности требует обобщения на произвольные углы распространения волн, выходящих за пределы выделенной области расчета. Такое условие прозрачности для уравнения Гельмгольца получено в рамках настоящего проекта. Оно описывает беспрепятственный выход волновых возмущений за пределы вычислительной области и идеально подходит для ограничения полосы расчета и учета слабых радиолокационных сигналов от глубинных подповерхностных объектов. Оценка пространственного разрешения подповерхностного радара получена методом параболического уравнения. Выведенная формула позволяет оценить истинные размеры подповерхностного объекта по его радиоизображению и предсказывает улучшение пространственного разрешения в оптически плотной среде. Обратным задачам теории рассеяния посвящено множество математических и прикладных работ. В данном проекте мы используем упрощенный подход, основанный на приближенном аналитическом решении одномерной задачи рассеяния на плавных градиентах подповерхностной среды методом связанных волн. При заданной электродинамической модели среды это решение описывает и эффекты поглощения волн введением комплексной диэлектрической проницаемости. Возникающая неоднозначность разделения эффектов рефракции и поглощения и усложнение решения обратной задачи преодолевается введением разумной связи этих параметров. Теоретически предсказанные характеристики излучения разработанных наземных и скважинных георадаров были подтверждены как в ходе геофизических и археологических работ в экспедициях Русского географического общества и институтов Российской Академии наук, так и на импровизированных экспериментальных стендах ИЗМИРАН. Предложен и опробован новый тип экранированных антенн для скважинного георадарного зондирования (радиолокационного каротажа), обладающий ярко выраженной диаграммой направленности приемно-излучающей системы. При работе с водной поверхности или на пересеченной местности практически невозможно сохранить прямую траекторию зондирования и обеспечить равномерную сетку данных. В этом случае мы выбираем альтернативную схему случайного сбора данных по нерегулярной траектории, покрывающей интересующую область. Для интерполяции набора экспериментальных данных на регулярную двумерную сетку используются взвешенные суммы радарограмм, снятых вдоль хаотической траектории с коэффициентами, плавно убывающими при удалении от точки наблюдения. Выбирая параметр осреднения несколько большим, чем экспериментальный шаг зондирования, можно устранить стохастические флуктуации, вызванные неравномерностью движения и погрешностями измерения. Методика георадарной съемки вдоль нерегулярной траектории была реализована молодым участником проекта Ф.П. Морозовым при обследовании уникального природного объекта – Патомского кратера в Сибири в рамках экспедиции, организованной редакцией газеты «Комсомольская правда» 23 августа -7 сентября 2022 года. Трехмерная интерполяция выполнена П.А. Морозовым и партнерской компанией ВНИИСМИ. Эти результаты изложены в докладе на заседании Русского географического общества со ссылкой на грант РНФ.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Дано обобщение теории Леонтовича-Левина для описания излучения дипольной антенны георадара в диэлектрическое полупространство - для использования в практических задачах подповерхностного электромагнитного зондирования. Для решения интегро-дифференциальное уравнения используется интегральное преобразование Фурье-Лапласа и приближение связанных волн. Основные отличия от классических результатов: - Рассматриваются не гармонические колебания тока в плечах вибратора, а распространение короткого импульса, возбуждаемого мгновенным разрядом конденсатора в разрыве антенны; - Исследуется излучение электромагнитного импульса антенной, лежащей на границе раздела двух диэлектрических полупространств (земля-воздух); - Вместо цилиндрических проводников рассматривается модель ленточного вибратора, более соответствующая конфигурации антенн георадара; - Учитывается резистивная нагрузка, распределенная вдоль плеч вибратора для подавления затягивания сигнала и резонансных эффектов при отражении импульса от концов вибратора. Рассмотрена зависимость решения от параметров антенны (длина вибратора, резистивная нагрузка) и подповерхностной среды. Готовится публикация (см. Приложение 1). Результаты работ по аналитическому рассмотрению двумерного электромагнитного зондирования плоскослоистых диэлектрических сред систематизированы в кандидатской диссертации И. В. Прокоповича «Электродинамика импульсного георадара и подповерхностная СВЧ голография», успешно защищенной в Казанском федеральном университете. В рамках исследования пространственно-временных характеристик излучения резистивно-нагруженных антенн наземного базирования проведены эксперименты в реальных условиях георадарной съемки, и на специально созданном лабораторном стенде в виде засыпанного грунтом полуцилиндра, плоская грань которого имитирует земную поверхность. Использование такой установки, с учетом принципа подобия, существенно облегчает и ускоряет оценку диаграммы направленности передающих и приемных антенн георадара. Разработана. экранированная дипольная антенна для задач радиолокационного каротажа, получен патент. Ее направленное излучение с ярко выраженным главным лепестком продемонстрировано при измерениях на стенде для исследования скважинных антенн. По результатам экспериментов показало эффективное разрешение объектов на расстоянии до 8 метров. Сделан доклад на научно-практической конференции «Георадар-2023», получен патент на конструкцию плоской антенны для георадиолокации совмещенной с передатчиком, (имеются ссылки на грант РНФ). В течение года исполнители гранта приняли участие в отечественных и международных конкурсах, В.И. Сахтеровым получен Диплом финалиста конкурса Мэра Москвы «Новатор Москвы» и Диплом лауреата второй премии Международного конкурса научных, научно-технических и инновационных разработок, направленных на развитие и освоение Арктики и континентального шельфа (Санкт-Петербург). Обработаны и опубликованы в журнале MDPI Remote Sensing результаты георадарного обследования археологических объектов в составе комплексной экспедиции Керченского отряда Института археологии РАН, Института археологии Крыма и Юго-Восточной археологической экспедиции Государственного Эрмитажа. Наряду с культурно-историческим значением этих работ эти исследования позволили получить количественные данные о диаграммах направленности излучающих и приемных антенн мощного импульсного георадара. В том числе, дана оценка интенсивности и направленности излучения в верхнее полупространство, которое необходимо учитывать при интерпретации результатов зондирования и организации георадарных исследований в городской застройке. По итогам работы М. А. Лазаревым была на отлично защищена в МПГУ выпускная квалификационная работа направления “Фундаментальная физика на английском языке”. Впервые, в составе комплексной экспедиции АО «Лензолото», Издательского дома «Комсомольская правда» и ООО «Компания ВНИИСМИ», было проведено георадарное обследование уникального геофизического объекта - Патомского кратера на севере Иркутской области. Использование глубинного георадара «Лоза-Н» позволило прозондировать скважину кратера до глубин порядка 300 м, построить его радиофизический портрет и получить объективные данные в пользу вулканического происхождения объекта. Совершенствование методов интерпретации глубинных георадарных данных развивается в двух направлениях. - эвристический подход (сравнительный анализ данных низкочастотного георадара и результатов геологического бурения); - анализа георадарных данных с использованием приближенных методов решения обратной задачи. В наших работах известный метод ВКБ обобщен для расчета частичных отражений зондирующего импульса на плавных неоднородностях подповерхностной среды. Обращение аналитического решения дает искомый профиль диэлектрической проницаемости. Результаты глубинного георадарного зондирования опасных геологических структур доложены на международной конференции MedGU (Стамбул, ноябрь 2023 г.). В ходе полевых работ в бассейне реки Индигирка проведены эксперименты по применению различных схем размещения приемной и передающей низкочастотных антенн георадара для оконтуривания границ талика. Дана оценка энергетических потерь сигналов подповерхностного радиозондирования с использованием формулы радиолокации, выявлена связь ослабления отраженного сигнала с геометрией задачи, свойствами среды и диаграммой направленности дипольной антенны. Обработаны результаты георадиолокационных исследований мерзлых пород, выполненных в полевом сезоне 2022 года (Оймякон, Якутия) на криогенных объектах. Установлены характерные признаки присутствия ледяных жил. А георадарные работы по исследованию наледи на реке Кюбюме позволили оценить ее мощность и структуру, что проясняет процесс ее формирования.. Результаты этой экспедиции были доложены на конференциях «Радиолокационные системы малой и сверхмалой дальности» и «Инженерная и рудная геофизика, более детально материал изложен в статье, принятой в печать в журнале «Геология и геофизика». Проведен ряд экспедиционных работ с применением метода георадиолокации в сотрудничестве с институтами РАН: - совместная экспедиций Института мерзлотоведения СО РАН и ИЗМИРАН в районах вечной мерзлоты (Якутия, август 2023 г.); - совместная экспедиций Института физики Земли РАН и ИЗМИРАН по изучению сейсмотектонических деформаций археологических памятников северного Кавказа (октябрь 2023 г.); - совместные работы ИФЗ и ИЗМИРАН в рамках Комплексной экспедиции Русского географического общества и Северного флота на Землю Франца-Иосифа (май 2023 года). В Северной Осетии и на Черноморском побережье Кавказа реализован новый подход к разработке сейсмотектонической модели, базирующийся на совместном применении глубинной георадиолокации, палео- и археосейсмологии. В результате полевых исследований, выполненных осенью 2023 г. в Северной Осетии и на Черноморском побережье Кавказа методами глубинной георадиолокации и археосейсмологии, выявлены очаги сильных землетрясений, происходивших в историческое время. Выиолнены геолого-геофизические исследования сейсмической опасности на острове Земля Александры с использованием микросейсмического зондирования и глубинной георадиолокации. Выявлены структуры, имеющие признаки активных разломов, являвшихся очагами сильных землетрясений. Результаты георадарных исследований наледи в Оймяконском улусе позволили определить ее мощность и изменения вдоль георадарных профилей. На отмелях оконтурены линзы льда. Показана эффективность применения атрибутного анализа георадарных данных для исследования полигонального микрорельефа, выполнено численное моделирование структур полигонально-жильных льдов. Обобщены исследования подповерхностных объектов в регионах вечной мерзлоты, опубликованы результаты мониторинга ее деградации с помощью глубинной высокоразрешающей импульсной электроразведки.