Глубинный георадар: теория, методы, эксперимент

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00083

НазваниеГлубинный георадар: теория, методы, эксперимент

Руководитель Попов Алексей Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-403 - Радиофизика, статистическая радиофизика

Ключевые слова глубинный георадар, электродинамика импульсного излучения, численное моделирование, обратная задача, методика съемки, эксперимент, Арктика, сейсмическая опасность, мерзлота.

Код ГРНТИ37.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект относится к фундаментальной проблеме подповерхностного радиозондирования. Задача обнаружения и визуализации электрически контрастных объектов в приповерхностном слое Земли возникает в критически важных сферах: экология, безопасность, неразрушающий контроль технических сооружений, исследование недр Земли. Преимуществом георадиолокации по сравнению с классическими методами электроразведки является мобильность, малое энергопотребление, способность обнаруживать небольшие объекты. К недостаткам георадара относится сравнительно малая глубина зондирования, сложность интерпретации радарограмм. Огромный интерес со стороны инженерной геологии, археологии, оборонной промышленности делает преодоление указанных трудностей актуальной научно-технической задачей. Радикальное расширение возможностей георадиолокации открывает использование разработанных в ИЗМИРАН георадаров повышенной мощности "Грот" и "Лоза", в которых импульс тока генерируется высоковольтным газовым разрядником. В сочетании с переходом в низкочастотную область георадарного диапазона это позволяет увеличить глубину зондирования до сотен метров и делает георадар перспективным инструментом прикладной геофизики. Заменяя дорогостоящее бурение, глубинная георадарная съемка в десятки раз ускоряет и удешевляет геологические изыскания. Задачей проекта является решение недостаточно изученных теоретических и методических вопросов глубинного подповерхностного зондирования в нижней части частотного диапазона георадиолокации. Она включает в себя: - развитие теории распространения электромагнитных импульсов в неоднородной среде с учетом рефракции, поглощения и дифракционных эффектов; - исследование пространственно-временных характеристик излучения импульсного георадара с учетом способа возбуждения и свойств подстилающей поверхности; - численное моделирование импульсного зондирования и решение обратной задачи восстановления диэлектрической проницаемости и проводимости локально-слоистой подповерхностной среды; - экспериментальное исследование диаграммы излучения антенн импульсного радиокаротажа; - анализ и интерпретация экспериментальных данных глубинного георадарного зондирования; - развитие методики георадарной съемки вдоль нерегулярной траектории и синтеза трехмерных моделей подповерхностной среды. В экспериментальном плане большое внимание будет уделяться актуальным задачам, возникающим в программе освоения Арктики: - оценка сейсмической опасности, связанной с развитием индустриальной инфраструктуры; - исследование вечной мерзлоты и ее эволюции в связи с изменением климата; - георадарное исследование морского льда. Будут предусмотрены георадарные миссии по обследованию подземных вод и карстоввых структур. Руководитель проекта – известный специалист по теории дифракции и распространения радиоволн, лауреат Государственной премии СССР. Участники проекта – опытные радиофизики, разработчики глубинного георадара и методик подповерхностного зондирования, соискатель ученой степени кандидата наук и инженер-геолог, работающий по теме проекта; студенты МПГУ и МГТУ им. Баумана, сочетающие работу по проекту с преддипломной практикой.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Попов А.В., Резников А.Е., Беркут А.И, Едемский Д.Е., Морозов П.А., Прокопович И.В. Methods and Algorithms of Subsurface Holographic Sounding Remote Sensing, V. 14. N. 20 P. 5274 (год публикации - 2022)
10.3390/rs14205274

2. Сахтеров В.И., Прокопович И.В., Попов А.В. Экранированная дипольная антенна для задач радиолокационного каротажа Радиотехника, Т. 86 № 8 С. 103-112 (год публикации - 2022)
10.18127/j00338486-201901-10

3. Овсюченко А.Н., Едемский Д.Е., Жостков Р.А. Active Tectonics of the Eastern Arctic: New Data from Geological and Geophysical Studies at Cape Thomas (West of Wrangel Island) Geotectonics, V. 56. P. 265–279 (год публикации - 2022)
10.1134/S0016852122030050

4. Зубарев В.Г., Ярцев С.В., Едемский Д.Е., Корженков А.М., Ларьков А.С., Моисеев Д.А., Овсюченко А.Н., Сысолин А.И. Сейсмический фактор в истории городища "Белинское" (Керченский полуостров, Крым) Геофизические процессы и биосфера, Т. 21, № 2. С. 44–70 (год публикации - 2022)
10.21455/GPB2022.2-3

5. Фещенко Р.М., Попов А.В. Exact transparent boundary conditions for the 2D Helmholtz equation Proceedings of the International Conference Days on Diffraction, P. 28-34 (год публикации - 2022)
10.1109/DD55230.2022.9961048

6. Сахтеров В.И., Аверин А.А., Попов А.В., Прокопович И.В. К расчету антенн импульсного георадара МИ ВлГУ, Муром, Всероссийские открытые Армандовские чтения. 2022. С.485-488 (год публикации - 2022)
10.24412/2304-0297-2022-1-485-488

7. Едемский Д.Е., Тумской В.Е., Прокопович И.В. Георадарное обследование арктических полигонально-жильных структур Геология и геофизика (год публикации - 2023)
10.15372/GIG2023186

8. Сахтеров В.И., Аверин А.А., Варенков В.В., Горкин Д.С., Прокопович И.В., Попов А.В. Эксперименты с георадаром для задач каротажа Cборник докладов XXVIII Всероссийской открытой научной конференции "Распространение радиоволн". Издательство: Поволжский государственный технологический университет, Йошкар-Ола, с. 455-458 (год публикации - 2023)

9. Сахтеров В.И., Прокопович И.В., Горкин Д.С., Лазарев М.А., Боголюбов Л.А., Попов А.В. Эксперименты с направленной антенной применительно к каротажу Сборник материалов 19-й научно-практической конференции и выставки "Инженерная и рудная геофизика 2023". Издательство: Общество с ограниченной ответственностью "ЕАГЕ Геомодель", Москва, с. 657-660 (год публикации - 2023)

10. Тумской В.Е., Едемский Д.Е., Прокопович И.В., Лев С.Ю. Георадиолокационное зондирование оползневых склонов в долине р. Осетр Сборник материалов 19-й научно-практической конференции и выставки "Инженерная и рудная геофизика 2023". Издательство: Общество с ограниченной ответственностью "ЕАГЕ Геомодель", Москва, с. 441-448 (год публикации - 2023)

11. Едемский Д.Е., Тумской В.Е., Прокопович И.В. Первые результаты применения георадарной съемки для изучения строения наледей в долине р. Кюбюме (Оймяконское нагорье) Сборник материалов 19-й научно-практической конференции и выставки "Инженерная и рудная геофизика 2023". Издательство: Общество с ограниченной ответственностью "ЕАГЕ Геомодель", Москва, с. 136-141 (год публикации - 2023)

12. Овсюченко А.Н., Корженков А.М., Малышев А.А., Едемский Д.Е., Бутанаев Ю.В., Ларьков А.С., Андреева Н.В. Сейсмические деформации на античном городище Раевское и сейсмотектоника Северо-Западного Кавказа Геофизические процессы и биосфера, т. 22, № 2, с. 75-108 (год публикации - 2023)
10.21455/GPB2023.2-3

13. Овсюченко А.Н., Жостков Р.А., Едемский Д.Е., Собисевич А.Л., Сысолин А.И., Преснов Д.А. Активная тектоника северо-восточного Таймыра (горы Бырранга) и вопросы сейсмотектонической регионализации российской Арктики Физика Земли, № 6, с. 207-223 (год публикации - 2023)
10.31857/S0002333723060133

14. Морозов П., Морозов Ф., Лазарев М., Боголюбов Л., Попов А. Characterization of Antenna Radiation Pattern and Penetration Depth in Ground Penetrating Radar Field Missions Remote Sensing, V. 5. No. 23. P. 5452. (год публикации - 2023)
10.3390/rs15235452

15. Овсюченко А.Н., Едемский Д.Е., Нечаев С.Ю., Корженков А.М., Заалишвили В.Б., Ларьков А.С., Аверин А.А. Исследования очагов сильных исторических землетрясений методами геофизики, палео-, архео- и исторической сейсмологии: Фиагдонская котловина в Северной Осетии Геология и геофизика Юга России, Т. 14. № 1. C. 64-89 (год публикации - 2024)
10.46698/VNC.2024.50.37.005

16. Морозов Ф.П., Беркут А.И., Морозов П.А., Попов А.В. Георадарные исследования Патомского кратера Проблемы географии Урала и сопредельных территорий. Материалы III Международной научно-практической конференции. Издательство: ООО «Край Ра», Челябинск., С. 212-220 (год публикации - 2024)

17. Сахтеров В.И. Способ управления диаграммой направленности антенны подземного излучения Антенны, № 3 (289), с. 40-48 (год публикации - 2024)
10.18127/j03209601-202403-05

18. Сахтеров В.И. Антенна импульсного георадара Журнал радиоэлектроники, № 12 (год публикации - 2023)
10.30898/1684-1719.2023.12.18

19. Морозов П., Прокопович И., Лазарев М., Попов А. Сахтеров В., Едемский Д. Characterization of GPR radiation pattern in the upper and lower hemisphere (theory and experiment) Journal of Physics: Conference Series, V. 2887, p. 012051 (год публикации - 2024)
10.1088/1742-6596/2887/1/012051

20. Писарев C.В., Беркут А.И., Морозов П.A., Морозов Ф.П., Лобанов А.В., Онищенко Д.А. Георадар «Лоза» – эффективный инструмент для измерения морфометрических характеристик ровных и деформированных морских ледяных образований Научно-технический сборник вести газовой науки, No 3 (59). С. 179-186 (год публикации - 2024)

21. Смирнов Д.А., Горкин Д.С., Варенков В.В., Сахтеров В.И. Управление диаграммой направленности приемной антенны георадара применительно к обнаружению слабоконтрастных объектов сборник докладов I Всероссийской молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти Д. С. Лукина (Йошкар-Ола, 11–14 ноября 2024 года), С. 72-75 (год публикации - 2024)

22. Боголюбов Л.А., Лазарев М.А., Морозов Ф.П., Морозов П.А., Попов А.В., Прокопович И.В. Оценка диаграммы направленности дипольной антенны георадара в подповерхностной среде и в верхней полусфере Электромагнитные волны и электронные системы, Т. 29. № 5. С. 82−88 (год публикации - 2024)
j15604128-202405-13

23. Едемский Д.Е., Прокопович И.В. Применение георадилокации при выявлении зон разрывных нарушений Электромагнитные волны и электронные системы, Т. 29. № 5. С. 14−21 (год публикации - 2024)
10.18127/j15604128-202405-03

24. Едемский Д.Е., Тумской В.Е., Прокопович И.В. Изучение сильнольдистых отложений с повторно-жильными льдами методом георадиолокации Электромагнитные волны и электронные системы, Т. 29. № 5. С. 22−28 (год публикации - 2024)
10.18127/ j15604128-202405-04

25. Зинко В.Н., Корженков А.М., Овсюченко А.Н., Едемский Д.Е., Ларьков А.С., Сысолин А.И. The South Churubash Settlement, Eastern Crimea: Earthquake-Induced Gravitational and Inertial Deformations Journal of Volcanology and Seismology, V. 18, No. 4, p. 366-382 (год публикации - 2024)
10.1134/S0742046324700647

26. Варенков В.В., Горкин Д.С., Смирнов Д.А., Сахтерова Т.В., Сахтеров В.И. Результаты экспериментов с георадаром «Сфера» Электромагнитные волны и электронные системы, Т. 29. № 5. С. 66−70 (год публикации - 2024)
10.18127/j15604128-202405-10

27. Писарев С., Вергун А., Беркут А., Морозов Ф., Морозов П., Воровски П. Express method of field measurements to create a three-dimensional model of an ice formations Russian Journal of Earth Sciences, V. 24. No. 3. P. ES3008 (год публикации - 2024)
10.2205/2024ES000911

28. Прокопович И.В., Попов А.В. The Radiation Pattern of Dipole Antenna Lying on Air-Dielectric Interface IEEE, сборник 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC), pp. 382-385 (год публикации - 2024)
10.1109/RMC62880.2024.10846904

29. Беркут А.И., Морозов П.А., Попов А.В. Георадар для глубинных геологических исследований, основные направления применения Электромагнитные волны и электронные системы, Т. 29. № 5. С. 89−96 (год публикации - 2024)
10.18127/ j15604128- 202405-14

30. Аверин А.А., Горкин Д.С., Варенков В.В., Сахтеров В.И. Увеличение глубины зондирования импульсного георадара путем снижения импеданса антенны Электромагнитные волны и электронные системы, Т. 29. № 3. C. 49-58 (год публикации - 2024)
10.18127/j5604128-202403-06

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
- В задаче об излучении зондирующего импульса резистивно нагруженным вибратором на границе раздела двух сред выполнены расчеты методом конечных разностей. Результаты численных экспериментов, полученные в программном пакете gprMax, хорошо согласуются с аналитическим решением двумерных задач как в частотной, так и во временной области. Трехмерные диаграммы направленности импульсного излучения конечной дипольной антенны в ближней зоне использованы для расчета ослабления сигнала по формуле радиолокации. - Разработан способ управления главным лепестком диаграммы направленности передающей антенны, ведется работа по разработке методов управления диаграммой направленности приемной антенны. Разработана многовибраторная антенна, позволяющая увеличить глубину зондирования. - Результаты доложены на XV научно-техническая конференция «Радиолокационные системы малой и сверхмалой дальности» (1 марта 2024 г., Москва), на международной конференции Ground Penetrating Radar (23-28 июня 2024 г., Чанчунь, Китай), на IX Всероссийской микроволновой конференции (25-29 ноября 2024 г. - Изготовлена антенна, позволяющая проводить георадиолокацию в скважине, Получены экспериментальные результаты, демонстрирующие азимутальную направленность излучения. - Разработан прототип поискового магнитометра. - Выполнено глубинное георадарное зондирование археологических объектов в рамках научно-технического сотрудничества с институтами РАН: геофизическая поддержка археологической экспедиции Института археологии Крыма РАН (июль 2024, поселение эпохи бронзы на мысе Фонарь, Крым); геофизическая поддержка экспедиции Института археологии РАН (античные крепости по периметру города Керчь). Объект исследования – подземные галереи для снабжения водой при осаде крепости; геофизическая поддержка археологической экспедиции Государственного исторического музея (античное поселение Патрей -Тамань, Краснодарский край); геофизическая поддержка Российско-египетской археологической экспедиции Института востоковедения РАН и Высшего совета по древностям Египта (ноябрь 2024, некрополь Храма Гебель эль-Нур (Египет, 1070–664 гг. до н.э). Выполнено картирование склепов, обследован участок площадью 6500 кв.м. - В совместных работах с Институтом океанологии РАН в восточных районах Арктики отработана методика георадарного обследования ледового покрова. - Георадарным профилированием определены направления тектонических разломов вследствие древних землетрясений на Таймыре, острове Врангеля и Земле Франца-Иосифа. - Проведены фундаментальные исследования в области сейсмотектоники. При помощи георадарного профилирования локализованы разломные зоны на острове Земля Александры. - Выполнена обработка данных полевого сезона 2023 г. - георадарный образ отложений ледового комплекса в бассейне р. Идигирка (Якутия). - Проведена совместная экспедиция ИЗМИРАН и Института мерзлотоведения СО РАН по исследованию локальных криогенных объектов и структур. Основная задача работ - проверка возможностей георадара при обследовании природных подповерхностных структур в условиях криолитозоны. В опубликованных работах обобщен опыт применения георадиолокации для изучения ледяных жил. - Проведены экспедиционные работы на территории Западного Кавказа и Краснодарского края. Применение георадиолокации позволяет продвинуться в решении проблемы прогноза катастрофических природных событий и исследовании закономерностей сейсмической активности на промежутках времени в несколько тысячелетий. - Совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана организована конференция «Радиолокационные системы малой и сверхмалой дальности» (ИЗМИРАН, 1 марта 2024 г.). Опубликован спецвыпуск журнала "Электромагнитные волны и электронные системы".

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанная участниками проекта аппаратура и методы уже используются в экономике и социальной сфере - см., например, п.20 в списке 5.5; Беркут А.И., Морозов П.А., Попов А.В. Георадар для глубинных геологических исследований, основные направления применения.