Автоматизированный анализ BSEF

Специалисты, использующие георадар в своих исследованиях, могут столкнуться с такой ситуацией, когда качество результатов георадарного профилирования будет отличаться далеко не в лучшую сторону от образцов, представленных в рекламных материалах производителей геофизического оборудования. На образцовых радарограммах без труда прослеживаются границы между слоями, а также дифрагированные отражения от локальных объектов, по которым несложно определить скорость распространения волн в подповерхностой толще и диэлектрическую проницаемость. Такие результаты получают в ходе георадиолокационного исследовании сред с малыми потерями и наличием резких изменений электрофизических характеристик на границе контакта слоёв. На практике же, приходится изучать и объекты, обладающие высоким поглощением электромагнитной энергии, без резких границ, в условиях действия помех различной природы. Нередко бывают и такие полевые записи:

Представленный выше пример является результатом георадарного профилирования насыпного грунта антенной 200 МГц. Вследствие быстрого затухания зондирующих импульсов георадара в этом насыпном грунте, слабые отражения от подошвы насыпи замаскированы более интенсивными помехами. Применение к данному георадарному профилю стандартных методов цифровой обработки сигналов, таких как вычитание средних трасс и частотной фильтрации с целью подавления помех к положительному результату не привело - граница между насыпным и коренным грунтом не просматривается. Отсутствуют также дифрагированные отражения от локальных объектов в грунте, по которым можно было бы определить скорости волн и диэлектрическую проницаемость на различных участках георадарного профиля и, опираясь на эти значения, хотя бы примерно вычислить положение границы между насыпным и коренным грунтами. Визуальный анализ обработанного профиля не даёт практически никакой полезной информации:

Далее показан результат обработки рассматриваемого георадарного профиля методом автоматизированного анализа поля обратного рассеяния BSEF (Back-Scattering Electromagnetic Field) в виде разреза атрибута “Действительная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости” (наиболее часто используемый атрибут). Несомненно, информационная наполненность результата существенно выше, чем у радарограммы. Разрез без труда можно разделить на два слоя. Верхний слой – насыпной грунт. На разрезе этому слою соответствуют цвета в диапазоне от светло-голубого до тёмно-красного. Коренной грунт представлен оттенками синего цвета.

По изменению цветовой гаммы на разрезе можно проследить изменения электрофизических характеристик грунта внутри каждого слоя. Для более наглядного представления изменений атрибута разреза можно использовать статистический модуль программного комплекса ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ и получить данные по каждому слою, по каждой границе слоя или для всего разреза в целом в виде графиков и таблиц по двенадцати статистическим показателям. На рисунке ниже показан график изменения средних значений диэлектрической проницаемости в слое насыпного грунта. Область графика, превышающая заданный пользователем порог окрашена красным цветом:

Очевидно, что переход от представления данных о подповерхностной среде в виде совокупности амплитуд отражённых сигналов (радарограмма) к характеристикам этой среды полученным в результате применения метода автоматизированного анализа BSEF (разрез атрибута), значительно повышает информативность георадиолокационного исследования и делает результат этого исследования более понятным конечному пользователю. Экспорт результатов обработки в графические форматы, в форматы электронных таблиц и сеточный формат данных позволяет работать с этими результатами в компьютерных программах для визуализации числовых массивов и создания чертежей, таких как Surfer , AutoCad или аналогичных им.

Полный перечень атрибутов разрезов в ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ достаточно широк – весь список можно посмотреть в руководстве пользователя ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ, которое доступно для скачивания на странице загрузок. В качестве примера, на рисунках ниже показаны разрезы по рассматриваемому георадиолокационному профилю атрибутов весовой влажности и Q-factor (отношение центральной частоты спектра сигналов к его ширине), который часто используют для выявления разуплотненных областей в грунте или зон пониженной прочности в строительных конструкциях.

Большим преимуществом автоматизированного анализа BSEF является возможность исследовать подповерхностные среды, электрофизические характеристики которых изменяются плавно, без резких скачков, формирующих отражающие границы. На рисунке ниже слева представлен результат георадарного профилирования грунта с плавным изменением электрофизических характеристик, а справа - разрез диэлектрической проницаемости по этому профилю, созданный в программном комплексе ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ:

В рассматриваемом примере георадарный профиль пересекает высохший ручей, середина русла которого располагается на отметке 25 м от начала профиля. На разрезе хорошо прослеживается граница между плотным грунтом и рыхлыми отложениями, которая в результате русловых процессов приобрела воронкообразную форму и достигает глубины 7 метров. Также хорошо заметна область повышенной влажности в диапазоне глубин от 2 до 6 метров, которая характеризуется повышенными значениями диэлектрической проницаемости и окрашена в тёмно-синий цвет. Нижняя часть этой области также имеет форму воронки и достаточно симметрична относительно середины ручья. Применение к данному георадарному профилю метода автоматизированного анализа BSEF позволило получить значительно больше полезной информации, чем может предоставить георадарный профиль до применения этого метода.

Время выполнения автоматизированного анализ BSEF и расчёта разрезов сравнительно невелико. Например, обработка данного георадарного профиля производилась в течение нескольких минут на компьютере с тактовой частотой процессора 2.4 МГц. Значительная экономия времени происходит в случае обработки большого объёма однотипных георадарных данных – например, результатов профилирования автомобильных или железных дорог. Пользователь, настроив параметры автоматизированной обработки и запустив процесс, может переключиться на другие задачи, а программный комплекс будет самостоятельно загружать георадарные профили и сохранять результаты обработки на жёсткий диск компьютера.

Программный комплекс ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ содержит достаточно широкий набор атрибутов для решения различных задач георадиолокации. Нередки случаи, когда информация об исследуемом объекте не содержится в полном объёме одним разрезом атрибута, а фрагментарно распределена по разрезам нескольких атрибутов. В этом случае суммирование набора атрибутов, отражающих различные физические аспекты исследуемого объекта, позволяет объединить разрозненную информацию об этом объекте в рамках одного суммарного разреза. Вместе с тем, в результате суммирования происходит устранение артефактов, вызванных накоплением ошибок в процессе сбора и обработки георадиолокационной информации. Ниже показаны изображения георадарного профиля, записанного в ходе исследования погребённой долины, набора разрезов атрибутов для суммирования, полученных в результате автоматизированного анализа BSEF данного профиля и результата суммирования этих разрезов.

Волновая картина данного георадарного профиля мало информативна на глубинах более двух метров, когда как глубина залегания долины, по априорной информации, превышает это значение. На разрезах атрибутов просматриваются некоторые детали погребённого рельефа, однако каждый из разрезов в отдельности не даёт полной информации о строении изучаемой толщи. Операция суммирования позволила свести эти разрозненные полезные сигналы в одно целое. Рельеф погребённой долины на суммарном разрезе хорошо прослеживается по всей его длине. На рисунке рельеф долины отмечен пунктирной линией. Данный пример показывает, как использование модуля суммирования позволило эффективно решить проблему недостаточной информативности георадиолокационного профиля и отдельных разрезов атрибутов по этому профилю.

Использование метода автоматизированного анализа BSEF имеет следующие преимущества перед другими методами цифровой обработки георадиолокационных сигналов:

Увеличивается глубинность георадиолокационных исследований – алгоритм обработки данных имеет высокую помехоустойчивость и хорошо работает в зонах сильного зашумления сигналов, расположенных в нижней зоне георадарного профиля;

Повышается информативность георадиолокационных исследований – разрез по результатам автоматизированного анализа BSEF позволяет получить информацию о строении исследуемой подповерхностной среды даже в условиях плавного изменения её электрофизических характеристик, т.е. в условиях отсутствия границ слоёв на радарограмме. Если же эти границы имеются, то изменение электрофизических характеристик внутри слоя также представляет несомненный интерес;

Значительно возрастает скорость обработки полевого материала, что немаловажно при постоянно увеличивающихся объёмах георадарных работ, особенно в дорожной и железнодорожной отраслях;

Расширяются области применения георадара и список решаемых задач;

Сводится к минимуму влияние так называемого человеческого фактора на процесс обработки и интерпретации георадарных данных;

Предоставляются более широкие возможности для исследования сложно построенных сред.

В 2010 году в журнале ГЕОФИЗИКА была опубликована статья ОБРАБОТКА ГЕОРАДАРНЫХ ДАННЫХ В АВТОМАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ, в которой представлено описание алгоритма автоматизированного анализа поля обратного рассеяния.