Применение георадиолокационных технологий при решении археологических задач

УДК 550.8:903

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ РЕШЕНИИ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

л

© А.А. Дмитриев1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены технологические приемы использования георадиолокационных зондирований при проведении предварительных площадных изысканий для археологических раскопок. Разработаны теоретические основы применения георадиолокационных зондирований при поиске неоднородностей в верхней части геологического разреза. Представлены порядок разбиения исследуемой площади на элементарные участки; алгоритм проведения георадиолокационного зондирования на ограниченной площади (элементарном участке). Показана возможность применения математических алгоритмов для обработки исходной информации. Ключевые слова: антенна; георадар; радиоволна; помеха; геологический разрез; радарограмма.

GEORADAR TECHNOLOGY APPLICATION IN SOLVING ARCHAEOLOGICAL PROBLEMS A.A. Dmitriev

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article describes the use of GPR technology under preliminary areal survey for archeological excavations. It develops a theoretical basis for the use of GPR soundings when searching for inhomogeneities in the upper part of the geological section. It also describes the order of dividing the study area into elementary sections and gives the algorithm of GPR sensing in a limited area (elementary section). The application possibility of mathematical algorithms for input information processing is shown as well.

Keywords: antenna; ground penetrating radar (GPR); radio waves; hindrance; geological section; radarogram.

Применение метода георадиолокационного зондирования (ГРЛЗ) является одним из наиболее перспективных и динамично развивающихся направлений в геофизических исследованиях верхней части геологического разреза (ВЧР). К преимуществам метода можно отнести высокую разрешающую способность, помехоустойчивость по отношению к искажающим сигналам, а также оперативность и экономичность производимых измерений. Кроме того, ГРЛЗ требует минимума пространства для развертывания аппаратуры, что зачастую является существенным преимуществом при его использовании в условиях плотной городской и промышленной застройки. Использование ГРЛЗ дает возможность детально исследовать подповерхностную структуру ВЧР или техногенных конструкций до глубины 10-15 м, существенно уменьшая количество контрольных скважин и горных выработок. Задачи,

решаемые с помощью ГРЛЗ, могут быть разделены на ряд направлений с характерными для каждой группы методиками исследований, способами обработки, типами регистрируемых сигналов в поле электромагнитных волн и представленными результатами [1, 6, 7]. Основными из них являются:

• картирование геологических структур, а именно: восстановление геометрии относительно протяженных границ, поверхности коренных пород под рыхлыми осадочными отложениями, уровня грунтовых вод, границ между слоями с различной степенью водонасыщения, поиск месторождений строительных материалов;

• определение свойств различных отложений по скорости распространения электромагнитных волн, опираясь на связь этих свойств с диэлектрической проницаемостью и электропроводимостью пород;

• определение мощности ледяного

1

Дмитриев Алексей Александрович, старший преподаватель кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: (3952) 405129, e-mail: dmtaa77@gmail.com

Dmitriev Alexey, Senior Lecturer of the Department of Radioelectronics and Telecommunication Systems, tel.: (3952) 405129, e-mail: dmtaa77@gmail.com

покрова;

• определение глубины водного слоя и картирование поддонных отложений;

• определение мощности зоны сезонного промерзания/оттаивания, оконту-ривание областей многолетней мерзлоты и таликов;

• поиск локальных объектов, обследование инженерных сооружений, выявление нарушений штатной ситуации;

• поиск скрытых дефектов в стенах наземных сооружений, шахт, тоннелей, в опорах и перекрытиях;

• поиск нарушений, возникших в процессе строительства или эксплуатации в конструкции автомобильных и железных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов и т.п.

Целью работы является апробирование и распространение георадарной методики проведения предварительных площадных изысканий при археологических исследованиях древних захоронений. В результате применения данной методики должно сократиться количество раскопоч-ных мест и площадь проводимых раскопов.

Георадиолокационное зондирование позволяет:

- определить места принципиальных археологических артефактов;

- выявить места захоронений или наиболее вероятные их местоположения;

- геометризировать формы захоронений с определением их глубины залегания и размеров.

ГРЛЗ в условиях Восточной Сибири позволили получить ряд положительных результатов. Это были обследования Байкальского и Северо-Муйского железнодорожных тоннелей [4]; железнодорожных насыпей, автодорог и взлетно-посадочных полос аэропортов; транзитных зон перехода газопровода через Братское море [5]; комплексные исследования многолетней мерзлоты [6] и исследования фундамента Спасской церкви в г. Иркутске [2]. При решении археологических задач пришлось столкнуться со сложным рельефом, зале-сенностью и полным отсутствием априор-

ной геолого-геофизической информации. Эти обстоятельства существенно осложнили работу и обусловили изменение подходов к методике получения информации и обработке данных.

Принцип действия георадара. Работа георадара основана на свойстве радиоволн отражаться от границ раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью и электропроводностью. В отличие от классической радиолокации в георадаре радиоимпульсы излучаются не в воздушное пространство, а в материальные среды с большим затуханием радиоволн. Широко используемые в обычной радиолокации радиоимпульсы с несущей частотой от 5 ГГц и выше и методы их обработки не пригодны для подповерхностного зондирования, так как из-за большой величины затухания в среде не обеспечивают заданную глубину зондирования и требований к разрешающей способности из-за большой длительности радиоимпульса. Поэтому в георадарах применяются широкополосные сигналы, образованные импульсами СВЧ-сигнала, состоящие лишь из одного или двух периодов высокочастотных колебаний [1, 7].

Для формирования импульсов малой длительности используется возбуждение широкополосной передающей антенны с очень короткими фронтами - так называемый ударный метод возбуждения. Выбор длительности импульса является компромиссом между необходимой глубинностью исследований и разрешающей способностью георадара. Чем короче импульс, тем выше разрешающая способность (критерий Релея), при этом за счет затухания уменьшается глубина зондирования [7].

Существующие отечественные георадары (Зонд-12, Питон-2, ОКО-2м, Лоза, Крот-12 и др.), построенные по этому принципу, работают обычно в диапазоне 10^2000 МГц, при этом длительность зондирующего импульса составляет 0,5^10 нс. Такие сигналы имеют широкий спектр и для их обработки требуются широкополосные приемники с полосой 5^3000 МГц. Прямая обработка импульсов такой малой дли-

тельности достаточно сложна. Поэтому для упрощения технических решений, обеспечивающих прием и обработку широкополосных сигналов, используется стробоскопическое преобразование, в процессе которого временной интервал принимаемой реализации разбивается на необходимое количество точек, в каждой из которых значение сигнала фиксируется в одном периоде зондирования. При этом короткий широкополосный сигнал, поступающий на вход приемника, преобразуется в длительный сигнал низкочастотного диапазона, обработка и отображение которого не представляет технических трудностей [7].

Передающая антенна георадара излучает электромагнитные импульсы, которые для получения высокой разрешающей способности имеют очень малую длительность (единицы и доли наносекунды) и достаточно широкий спектр излучения. Излученный передающей антенной в исследуемую среду электромагнитный импульс отражается от находящихся в ней предметов или любых неоднородностей, имеющих дифференциацию по диэлектрической проницаемости или электропроводности. Такими неоднородностями могут быть пустоты, границы раздела слоев различных пород, участки с различной влажностью, температурой и т.д. Отраженный сигнал принимается приемной антенной, преобразуется в цифровой вид и запоминается для дальнейшей обработки. При перемещении георадара по поверхности исследуемой среды на экран монитора выводится совокупность сигналов (радарограмма) с интервалом генерации зондирующих импульсов от единиц до десятков нс, определяющих шаг по профилю, по которым можно определить местонахождение, глубину залегания и протяженность объектов (рис. 1) [1, 7].

Результаты площадного георадиолокационного зондирования. В июле 2007 г. были проведены детальные ГРЛЗ четырех участков восточной части древнего могильника «Фофаново» (Республика Бурятия), примыкающих к местам предыдущих раскопок (рис. 2). Участки общей пло-

щадью исследований 1700 м были отобраны археологической группой Бурятского научного центра СО РАН и размечались согласно предполагаемого положения захоронений. Георадарные профили в основном ориентировались в меридиональном направлении через 1 метр [3]. Общая протяженность георадарных профилей составила 1800 м.

Рис. 1. Георадиолокационное зондирование

В площадной георадиолокационой съемке, как правило, участвовали 3 человека. Для определения оптимальных условий проведения исследований на эталонном участке 1 были проведены измерения с использованием 3 антенных блоков: АБ1700, АБ700, АБ250 с центральными частотами 1700, 700 и 250 МГц соответственно. На рис. 3 приведены фрагменты профилей для различных антенных блоков. Для суглинистых грунтов исследуемой территории, характеризующихся пониженным сопротивлением (от 20 до 50 Ом*м) и повышенной диэлектрической проницаемостью (от 20 до 35 отн. ед), глубина зондирования составила 0,3-0,5 м для АБ1700; 1,5-2 м - для АБ700; 5-10 м - для АБ250.

Исходя из ожидаемой глубины нахождения захоронений, в качестве основной антенны был выбран блок АБ700. Более высокочастотный блок АБ1700 в данных условиях обладает недостаточной глубинностью (0,3-0,5 м), причем помехоустойчивость георадара с данной антенны была наиболее низкой. Опробование низкочастотного блока АБ250 показало недостаточную разрешающую способность, хо-

Рис. 2. Космоснимок района работ и схема размещения участков георадарной съемки

Рис. 3. Георадарное профилирование с антенным блоком: а - АБ250; Ь - АБ700; с - АБ1700

рошо выделялись лишь элементы глубинного (5-10 м) строения Фофановского склона. Из-за большой длины волны данная антенна не позволяла обнаруживать неоднородности порядка 50-70 см.

При проведении ГРЛЗ на полезный сигнал действует ряд мешающих факторов, поэтому получаемый сигнал имеет большую зашумленность. Для увеличения отношения сигнал/шум в рамках специализированной обрабатывающей системы ОеоБсап-32 была проведена обработка

данных, включавшая в себя следующую последовательность программ [1]:

• алгоритм автоматического выравнивания сигнала;

• определение сигнала прямого прохождения и его компенсация;

• цветовое кодирование сигналов в профиле;

• усреднение и выделение контуров;

• выделение огибающей;

• вычисление преобразования Гильберта;

b

а

c

• метод синтезированной апертуры;

• обратная фильтрация;

• медиальная фильтрация;

• удаление тренда;

• вычитание с окном.

Вторая важная методическая задача состояла в выявлении особенностей и характера мешающих факторов (помех) на радарограммах, которые могут затруднить или привести к пропуску объекта поиска (захоронения). Мешающие факторы на ра-дарограммах можно разделить на воздушные и подземные. Воздушные помехи от деревьев легко распознаются благодаря характерному виду (гиперболичность осей синфазности), но из-за своей интенсивности они могут привести к пропуску искомого объекта - захоронения, если сигнал от него обладает гораздо меньшей интенсивно-

стью. Подземные помехи в основном являются отражениями от корней деревьев (рис. 4), которые могут быть приняты за искомый объект.

На основе анализа радарограмм была выбрана площадка на участке 1 (см. рис. 2). Предполагаемое место захоронения характеризуется более уплотненным вмещающим его суглинком и наличием охры. Несмотря на небольшую глубину залегания из-за сильного затухания электромагнитного сигнала в суглинистом грунте объект на радарограмме малоконтрастен (рис. 5, а), хотя и прослеживается в том же месте на соседних профилях. После проведения обработки удалось показать георадарный образ в более четком виде (рис. 5, Ь).

ПОДМММДО помеха от корней

ющушмдо пома I Д0ДО08 (1ИПО£

а ь

Рис. 4. Мешающие факторы при георадарном зондировании: а - типичный вид помех;

Ь - корни деревьев - ложный объект

1

О ООм

Го .'Цм

1 ООм

1 Юм

1 2 00м

^wv . -цч , р * ^«мп ' ь

МИ'М» »< W(4 iiftri

b

Рис. 5. Фрагмент радарограммы профиля 2 участка 1: а - до обработки; Ь - после обработки

a

\

Рис. 6. Захоронение древнего «Китойского» человека

На глубине 0,5 м по результатам интерпретации радарограммы было обнаружено захоронение (рис. 6). С учетом полученного георадарного образа захоронения на участке 1 на профилях 4 и 10 были выделены аналогичные перспективные точки. Такие объекты найдены только на первом участке, который считался неперспективным, поскольку он с запада примыкает к пройденному археологическими шурфами месту раскопок 1996 г., не имевших положительного результата.

На основании вышеизложенного можно сделать следующий вывод: использование георадарного метода на ограниченной площади позволяет выявить места возможных захоронений. Однако при проведении эксперимента возникли новые задачи, связанные с определением внешних мешающих сигналов и последующим их исключением из исходных материалов. Эти вопросы требуют дополнительного исследования.

Статья поступила 03.04.2015 г.

Библиографический список

1. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию: учеб. пособие. М.: Из-во МГУ, 2005. 153 с.

2. Дмитриев А.А. Георадарное обследование площадки, прилегающей к Спасской церкви в г. Иркутске // Инженерная и рудная геофизика - 2007: материалы III междунар. конф. (Геленджик, 20.04.2007). Геленджик, 2007. С. 123-124.

3. Дмитриев А.А., Дембелов М.Г., Хаптанов В.Б. Зондирование природных сред георадарным и ра-диоимпедансным методами // Акустические и радиолокационные методы измерений и обработки информации: труды II междунар. конф. (Суздаль, 22.07.2007). Суздаль, 2007. С. 133-138.

4. Дмитриев А.Г., Мироманов И.А., Тирский О.Н. Использование геофизических методов при обследовании толстых бетонных покрытий //

Российский геофизический журнал. 2006. № 43-44. С. 143-146.

5. Инженерно-геофизические изыскания перехода газопровода Ковыкта - Саянск - Иркутск через Братское водохранилище / С.А. Барышев, А.Г. Вахромеев, А.Г. Дмитриев, В.В. Носов // Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии. 2006. Вып. 5. С. 92-98.

6. Нерадовский Л.Г. Методическое руководство по изучению многолетнемерзлых пород методом динамической радиолокации. М.: РАН, 2009. 337 с.

7. Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. М.: Недра, 1986. 128 с.