Особенности георадиолокации обводненных сред

© A.B. Омельяненко, И.И. Христофоров, 2012

УЛК 621.396

A.B. Омельяненко, И.И. Христофоров

ОСОБЕННОСТИ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ ОБВОДНЕННЫХ СРЕД

Представлены особенности методики проведения георадиолокационных исследований обводненных сред. По результатам измерений и обработки данных георадиолокации речного перехода рассчитана и представлена трехмерная модель участка реки.

Ключевые слова: георадиолокация, донные отложения, обводненные среды.

В настоящее время в Республике Саха (Якутия) строятся и эксплуатируются несколько крупных объектов связанных с речными переходами через р. Лена — это реализация таких мегапроектов, как строительство железной дороги Амуро-Якутской магистрали и строительство нефтепровода «Восточная Сибирь — Тихий Океан (ВС-ТО)». Возможные последствия с выбросом нефти на речных переходах, по степени тяжести несопоставимы с авариями на суше, поскольку зона аварийного поражения охватывает все аспекты среды обитания человека. Поэтому изучение геологических структур дна и донных отложений речных переходов — актуальная задача и особенно на стадии эксплуатации линейных сооружений. Трубопроводы относятся к объектам повышенной экологической опасности, особо уязвимы подводные речные переходы, где на трубопровод воздействует водный поток. Строительство трубопроводов влияет на состояние пересекаемых ими водных преград, оказывают максимальное воздействие на русла и поймы рек, на речной сток. С другой стороны, русловые и гравитационные процессы на участках подводных переходов создают максимальную опасность для трубопроводов. Для предотвращения

риска повреждения трубопроводов и исключения возникновения аварийных ситуаций необходимо знать динамику активизации этих процессов в пространственно-временной изменчивости. Для безопасной эксплуатации и предотвращения возникновения аварийных ситуаций важна организация системы наблюдений (мониторинга) за состоянием подводных переходов трубопроводов (ВСН 163—83).

Разработка дистанционных и оперативных методов, позволяющих решать задачу детального изучения дна и донных отложений водоемов достаточно перспективное научное направление. К таким методам относится метод георадиолокации реализующий методику отраженных электромагнитных волн от границ раздела сред с различными электрофизическими свойствами. Следует отметить, что вода относится к низкоскоростным средам с известными для моделирования физическими свойствами и является физически модельной средой. В условиях распространения многолетнемерзлых грунтов, разница температур у дна и у поверхности воды достигает более 15°С, что учитывается при масштабировании глубин в пределах ошибки определении 3 %.

Методика георадиолокационных исследований с водной поверхности

включает традиционные этапы рекогносцировочных работ, технологии измерений, методики обработки и интерпретации. Рассмотрим последовательно все этапы

1. Рекогносцировочные работы на местности проводятся для оптимизации параметров исследований с целью повышений качества и информационности материала при массовых измерениях.

При погружных измерениях экспериментально устанавливают глубину расположения антенн для того чтобы сделать поверхность вода-воздух естественным рефлектором. В этом случае в результате суммирования прямого и отраженного сигналов практически вся энергия будет излучаться в низкоскоростную среду — воду. Практически задача решается настройкой естественного рефлектора регулировкой глубины погружения антенн до устранения фазированием эффекта двойного сигнала — совмещением и суммированием по фазам прямого и отреженного от рефлектора зондирующего импульса измерения [4].

Устраняется динамическая перегрузка приемного тракта георадиолокатора методикой разноса антенн, что позволяет устранить ошибки спектрального анализа сигналов.

Для обнаружения и прослеживания линейных неоднородностей необходимо изменять взаимную поляризацию антенн. При исследовании положения трубопровода на дне водоема, целесообразно использовать не-соосные антенны, антенны должны быть под углом до 45°, что позволяет расширить зону реального поиска перемещениями по галсам [3].

Измерение угла поляризации принимаемого электромагнитного сигнала. Перед выполнением экспериментальных работ линейными дипольны-

ми антеннами методом георадиолокационного зондирования необходимо провести работы по азимутальной переориентации антенн для выбора оптимального угла между приемной и передающей антеннами. Это необходимо для надежного прослеживания глубинных границ на пределах энергетической возможности георадара.

Оптимизируются фактор накопления сигнала суммированием — устанавливается количество накоплений в зависимости от скорости перемещения по профилю измерений. Эффективность суммирования определяется изменчивостью границы отражения, т.к. при этом разряжаются точки зондирований.

Устанавливают достаточный интервал записи сигнала. Основанием для выбора интервала записи служат сведения о максимальной глубине и мощности залегания донных отложений и известные значения скоростей распространения электромагнитных волн.

2. Методика измерений.

Выбор геометрии приема-передачи георадиолокационного сигнала. Используется несколько видов геометрии приема-передачи — линейные наблюдения, при ориентации оси антенного модуля вдоль профиля наблюдений, линейные наблюдения, при ориентации оси антенного модуля по нормали к профилю наблюдений и измерения вдоль профиля, при ориентации антенны приемника относительно антенны передатчика под углом установленным методическими наблюю-дениями. Признаком оптимального выбора геометрии приема-передачи является фазовая разрешенность импульсов и устойчивая воспроизводимость отражённых сигналов. При массовых измерениях выбирают первый, наиболее технологичный вари-

Рис. 1. Схема GPS привязки профилей по руслу р. Лена

Рис. 2. Сходимость результатов георадиолокационных измерений с указанием сектора пересекающихся профилей

ант, остальные варианты применяют при параметрических наблюдениях.

При изучении донных отложений водоемов георадиолокационная съемка выполняется, как продольными, так и поперечными профилями. Степень детальности определяется поставленной задачей.

Преимущественно, программы по обработке данных построены на том, что профиля параллельны и частота точек одинакова по профилям. При необходимости используют процедуру выравнивания, которая устраняет неравномерность выставления точек измерений.

При исследовании рек с большой шириной (более 1км) и относительно быстрым течением возникают трудности с получением прямолинейных профилей (рис. 1). В этом случае необходимым условием съемки является использование GPS канала для привязки данных измерений к криволинейным профилям.

На рис. 1 изображены георадиолокационные профиля построенные по координатам GPS приемника по руслу р. Лена на речном переходе нефтепровода ВС-ТО. В данном случае трудности с соблюдением прямолинейности профилей связаны с неравномерностью распределения скорости течения р.Лена, вследствие того, что на расстоянии 4,5 км выше по течению от оси нефтепровода впадает правый приток — р. Олекма [2].

При измерениях необходимо увеличивать количество точек пересечения профилей. Точки пересечения профилей с одинаковыми координатами можно принимать за достовер-

ное событие в измерениях. Чем больше точек пересечений, тем больше достоверных событий по определению параметров. Методически это решается продольными профилями по произвольному прохождению, дополнительными галсами, которые пересекают продольные профиля. Более качественные результаты дают пересечения трех профилей в виде треугольника (триангуляция) и если эти точки находятся в пределах неизменчивости подводного рельефа, то достоверны измерения не только в области точек пересечений, но и по площади триангуляции (рис. 2).

3. Специфика обработки данных

Целью обработки георадиолокационных данных является выделение полезной информации на фоне сигналов- помех, шумов и т.д.

Методика связана с построением реальных георадиолокационных разрезов. Для обработки применяются

стандартные процедуры обработки, все виды фильтрации и пр. Но особое внимание следует уделить построению геометрических разрезов сред.

Георадиолокационными исследованиями с поверхности воды и в погружном варианте по методике формирования естественного рефлектора установлен факт сдвига спектра в сторону низких частот (рис. 3), это объясняется влиянием на антенны среды с высокой диэлектрической проницаемостью (эффект укорочения антенн).

На эффективность работ генератора, ввиду специфики его реализации, это не сказывается, но спектр оказывается вне полосы частот регистрируемого сигнала приемной части георадиолокатора. Поэтому для обеспечения работоспособности георадиолокационные системы в этом случае необходима доработка аппаратуры в двухспектральный вариант [1].

Рис. 6. Трехмерное представление участка реки: О — поверхность коренного дна, I I — поверхность аллювиальных отложений

1Ы

Рис. 5. Определение диэлектрической проницаемости (е) слоя по неоднородности характеризуемой гиперболой

Основа идентификации границ речных отложений — спектральный анализ и оптимальная фильтрация сигналов, т.к. спектр сигналов отраженный от обводненной среды (аллювиальные отложения) по частотным характеристикам отличается от спектра отражении от песчаных отложений (рис. 3). Использование процедуры оптимальной фильтрации позволяет раздельно строить разрезы различных видов речных отложений. Масштабирование по глубине производится процедурой послойной обработки разреза, когда каждый слой рассчитывается по своей скорости и многослойный разрез приводится к единой шкале глубин. Скорости в слоях определяются процедурой пересчета дифракции волны на выявленных неоднородностях по гиперболе с использованием процедуры синтеза апертур (рис. 5).

Точность определения глубин зависит от корректности выбора пересчетных скоростей и не превышает единиц процентов. Точность азимутальных определений определяется эффективной площадью отражения в пределах зоны Френеля. Методами физического и натурного моделирования установ-

лено, что ошибка азимутального определения не превышает 1м и не зависит от глубины исследований. Это объясняется низкоскоростными средами объекта исследований (вода, обводненные речные отложения) и короткими по времени зондирующими импульсами в пределах апертуры раскрыва антенн.

Методика интерпретации данных связана с анализом спектральных характеристик сигналов и представление георадиолокационных данных после обработки процедурой амплитудного фазирования спектров.

Представление данных в формате 3Э.

При оформлении трехмерной модели необходимо тщательно выбирать ракурс. Также важен выбор теней, закраски слоев и пр. В сложных случаях выбирается представление в трех проекциях.

Учитывается эффект воспринимаемости масштаба, обычно это 1:10, к примеру если длина профиля 100 м, то глубина должна быть выдержана 10 м. В зависимости от длины профиля, можно применить масштаб и 1:100.

Пример представления данных выделения слоя донных отложений в формате 3Э приведен на рис. 6, по результатам рассмотрения которого установлено, что наблюдается субгоризонтальное залегание коренных пород с незначительным погружением в сторону правого берега. На радарограмме отчетливо прослеживаются рельеф дна и границы слоев донных отложений. По результатам зондирований отслежена конфигурация дна водоема до глубины 9 м. Фарватер реки смещен к левому берегу, при этом средние глубины левой и правой сторон реки составляют 7 и 6 м, соответственно.

Изображены поверхности рельефа коренного дна и донных отложений.

В результате, мощность аллювиальных отложений увеличивается от центральной части реки до правого берега от 2 до 6 м. В центральной части реки мощность аллювиальных отложений определена в пределах 1,4—2,2 м, по левой стороне реки — в пределах 1-3 м. Отмечено увеличение мощности песчаных отло-

жений с последующим выклиниванием и выходом косы.

В результате, представлены основные особенности применение методики георадиолокации обводненных сред, включая исследования водоемов, донных отложений, аллювиальных пород, карстовых образований в коренных породах дна водоемов. Установлены глубинность и разрешающая способность метода в спектре частот 10 — 100 МГц

1. Омельяненко A.B. Двухспектральная георадиолокация обводненных полигонов россыпных месторождений / A.B. Омелье-ненко, И.И. Христофоров // Проблемы комплексного освоения георесурсов: Материалы III Международной научной конференции (Хабаровск, 16-18 сентября 2009г.). — 4 том. — Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 2010. С.60-66.

2. Христофоров И.И. Возможности реализации двухспектральной георадиолокации при инженерных изысканий на ВСТО // Материалы конф. науч. молодёжи «Эрэл — 2007», посв. 40-летию движения науч. молодёжи в Якутии, — Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2008. — С.112-115.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Христофоров И.И. Георадиолокационные исследования речных переходов линейных инженерных сооружений // Материалы 11-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс в современном мире», г. Якутск: Издательско-полиграфический комплекс СВФУ, 2010. — С. 177-180.

4. Христофоров И.И. Обоснование эффективности использования георадиолокационного мониторинга при проектировании и эксплуатации нефте- и газопроводов на речных переходах // Материалы конф. науч. молодежи «Эрэл- 2009» посв. 60-летию ЯНЦ СО РАН, — Якутск: Изд-во ООО РИО «Феникс», 2009. — С.151-155. ЕЕ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Омельяненко Александр Васильевич — д.т.н., заведующий лабораторией георадиолокации, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН (ИГДС СО РАН), e-mail: omepavel@yandex.ru

Христофоров Иван Иванович — соискатель, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН (ИГДС СО РАН), e-mail: zodik@mail.ru

А