ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ПО НАУКЕ И ТЕХНИКЕ
ВСЕСОЮЗНЫЙ ИНСТИТУТ НАУЧНОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
(ВИНИТИ)
Для служебного пользования
Экз. №
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СРЕДСТВ
ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ
И КЛАССИФИКАЦИИ
СКРЫТЫХ ОБЪЕКТОВ
Приложение к ЗККС № 2
МОСКВА 1990

ОБЪЕДИНЕННАЯ РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
информационных изданий по астрономии, геодезии,
исследованиям космического пространства и Земли из космоса
Главный редактор: акад. Р. 3. Сагдеев
Члены редакционной коллегии: проф. Т. А. Агекян, акад. В. А. Амбарцумяц,
д. ф.-м. н. Ю. В. Батраков, акад. А. А. Боярчук,
чл.-корр. АН СССР Ю. Д. Буланже, к. т. н. В. Д. Власов,
проф. В. Г. Горбацкий, д. ф.-м. н. А. А. Гурштейн,
проф. Я. Л. Зиман, акад. К. Я. Кондратьев, к. ф.-м. н. Э. В. Кононович,
д. ф.-м. н. А. П. Кропоткин, проф. М. Я. Моро*, проф. А. Г. Масевич,
д. ф.-м. н. Д. И. Нагирнер, проф. Ю. Af. Нейман, проф. И. Д. Новиков,
проф. Л. П. Пелланен, проф. В. BL Подобед, к. х. к. Л. Д. Репина,
к. ф.-м. н. Н. Я. Самусь, проф. В. А. Сарычев, & ф.-м. н. В. Я. Слыш,
акад. В. В. Соболев, д. ф.-м. и. Л. В. Тутуков, к. ф«-м. в. В. Г. Шамает,
д. ф.-м. н. В. В. Шевченко, к. ф,-м. и. #Г. £. Шингареш,
к. ф.-м. и. Л. 10. Щелка нова (ученый секретарь редколлегии),
к. ф.-м. н. Я. С. Щербина-Самойлова (аам. главного редактора)
Составитель — к. т. н. A/L Е. Фмке
Научны! редактор — к. т. в. & К. Ермишмн*
© ВИНИТИ, 1990

В конце 1988 г. вышел в свет журнал "IEE Proceedings0
v.l35t Part F,)^ 4, представляющий собой тематический
выпуск 'Подповерхностные радиолокационные системы", В этом
выпуске помещена подборка статей, посвященных
использованию РЛ-средств для обнаружения, определения
местоположения и классификации различных объектов искусственного и
естественного происхождения, скрытых слоем диэлектрика. Таким
диэлектриком может быть почва, горная порода, пресная или
морская вода, пресноводный или морской лед»
Ниже приводится обзор материалов, помещенных в
указанном тематическом выпуске. Рассматриваются общие вопросы
подповерхностного зондирования, особенности его применения,
природа получаемых сигналов, методы их обработки,
анализируются особенности работы конкретных подповерхностных
систем.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы средства радиолокации все чаще находят
применение для обнаружения, определения местоположения и
классификации объектов и структур искусственного и
естественного происхождения, находящихся в верхних слоях поверхности
Земли» По сути дела, это целый спектр применений
радиолокации, получивших общее название гПодповерхностное
зондирование* применительно не только к различным объектам, но и к
границам раздела, находящимся на некоторой глубине.
По мере совершенствования техники и средств обнаружения
и обработки сигналов диапазон применений подповерхностного
зондирования постоянно расширяется. В настоящее время он
включает археологию, оценку состояния дорог и
железнодорожного полотна, определение местоположения пустот и
резервуаров, обнаружение труб и кабелей, не говоря уже о различных
аспектах дистанционного зондирования (ДЗ). о
1-2 3

С помощью средств подповерхностного зондирования может
быть обнаружена любая диэлектрическая неоднородность. В час
тности, объекты могут быть классифицированы в соответствии
с их геометрией (плоские поверхности, длинные тонкие обьек-
ты, локализованные сферические или кубические объекты). При
этом РЛ-система может быть спроектирована таким образом,
чтобы обнаруживать объекты преимущественно заданного типа
и формировать юс трехмерное изображение.
При оценке полезности той или иной системы
подповерхностного зондирования основным критерием является затухание
сигнала на заданной рабочей частоте в данной среде. Сухие
материалы вызывают меньшее затухание сигналов, чем
влажные. Как правило материал с более высоким значением
низкочастотной проводимости дает повышенное затухание
сигнала. В результате гравий, песок,сухую горную породу и
пресную воду РЛ-методами зондировать относительно легко;
соленую воду, глинистые почвы и проводящие руды или
минералы - гораздо сложнее. Тем не менее, снижение частоты
излучения позволяет зондировать и эти материалы, хотя и
ценой уменьшения разрешения*
Эффективность работы подповерхностной РЛ зависит от
ряда факторов, таких как:
- эффективность "вхождения" электромагнитных волн в
землю и достаточная глубина их проникновения;
- достаточно высокий уровень сигнала, отраженного от
подземного объекта, обеспечивающий надежное обнаружение
этого объекта;
- достаточная полоса частот отраженного сигнала, обео-
печивающая требуемые разрешение и уровень шумов.
Принципы работы подповерхностных РЛС мало отличаются
от принципов работы обычных РЛС. Отличие обусловливается
лишь четырьмя факторами, определяющими специфику работы,
отличающуюся от работы в свободном пространстве:
преобразование, распространение, природа отраженного сигнала, его
информационное содержание. Наблюдаются различия и в
потерях на распространение, в характеристиках шумового сигнала
и характеристиках целей (объектов).
Экспериментально обнаружено, что для большинства
материалов у земной поверхности затухание электромагнитных волн
возрастает с частотой, а при данной частоте оно больше у

влажных материалов» Влажная глинистая почва — один из
материалов с наибольшим затуханием - мсвкет на частоте
100 МГц вызвать затухание в пределах 20 - 30 дБ/м, а на
частоте 1 ГГц — более 100 дБ/м. Морская вода вносит поте*-
ри, обычно, 200 дБ/м на частоте 100 МГц и 300 дБ/м - на
частоте 1 ГГц. Лед, в зависимости от происхождения
(морокой или пресноводный), может давать потери на частоте
1 ГГц в пределах 1 - 50 дБ/м. Песчаная почва является
одним из материалов с минимальными потерями - около
10 дБ/м на частоте 1 ГГц (при высоком содержании соли,
обусловливающей высокую проводимость); суглинок на частоте
1 ГГц обычно вносит потери от 20 до 30 дБ/м. Сухой песок
пустынь и непористые скальные породы могут вносить очень
низкое затухание (около 1 дБ/м на частоте 1 ГГц).
Диэлектрическая проницаемость принципиально зависит от
содержания влаги. На нижних частотах микроволнового
диапазона, включая диапазон, в котором работают системы
подповерхностного зондирования, вода имеет относительную
диэлектрическую проницаемость е г ~ 80; в то время как
твердые составляющие большинства почв обычно имеют ©г в'2;
f 6# Поэтому результирующая величина ег может
изменяться в широких пределах от 4 до 40.
Опыт показывает, что вследствие возрастания затухания, с
ростом частоты уменьшается и предельная глубина
зондирования. По этой причине практически все системы
подповерхностного зондирования работают на частотах менее 1 ГГц. В
таблице приведены типовые значения глубины проникновения,
при которых обеспечивается нормальная работа РЛС, и
верхние границы рабочей частоты при исследованиях в различных
средах.
Обеспечиваемое разрешение
Существует ряд применений* подповерхностных РЛС, таких
как измерение толщины льда, где интерес представляет одна
граница раздела. При таких обстоятельствах полоса частот
излучаемого сигнала не должна быть большой; излучаются
импульсы на одной частоте, а время их. задержки \ достаточно точно
определяет искомую глубину. Однако при определении ряда
особенностей (например, изучение геологических слоев,
обнаружение группы труб и др.) для различения двух соседних труб или
5

Типовые значения требуемой глубины и пределы рабочей
частоты
Материал
Типовое значение-
требуемой глубины
проникновения
сигналов
Максимальная
рабочая частота, на
которой возможна
нормальная работа
Чистый
пресноводный лед
Умеренно чистый
лед
Соленый лед
Пресная вода
Песок пустыни
Песчаная почва
Суглинок
Глина
Солончак (сухой)
Каменный уголь
Скальные породы
Насыпи
10 км
1 км
10 м
100 м
5 м
3 м
3 м
2 м
1 км
2 О м
20 м
0,3 м
10 МГц
2 МГц
50 МГц
100 МГц
1 ГГц
1 ГГц
5ОО МГц
100 МГц
250 МГц
500 МГц
50 МГц
10 ГГц
слоев требуется более широкий диапазон частот. При этом
более важен диапазон частот принимаемого сигнала,
поскольку земля действует как фильтр нижних частот, изменяя спектр
излученного сигнала в соответствии со свойствами материала.
Пусть F(co) - энергетический спектр принятого сигнала,
f(t) — временная функция, полученная после применения к
энергетическому спектру преобразования Фурье. Верхняя
граница разрешения мажет быть получена на основе анализа
огибающей At функции f(t)* В результате эффективный
диапазон частот принятого сигнала оценивается как:
Beff -
1
At

Функция f(t) представляет собой автокорреляционную функцию
принятого сигнала, так что At - есть разрешение в терминах
согласованной фильтрации» Существуют и другие меры
разрешения, которые можно было бы применить в зависимости от
отношения сигнал/шум принятого сигнала, однако смысл
рассмотренной меры как раз состоит в том, чтобы ввести величину,
ограничение на которую накладывается частотной
зависимостью затухания в земле. Этим подчеркивается ограничение
информационного содержания сигнала при данном уровне шумов.
Верхняя граница разрешения, выраженная в терминах
времени, может быть связана с глубиной через скорость распро-
'странения электромагнитных волн. Более влажные материалы
обладают большей диэлектрической проницаемостью и,
следовательно, характеризуются меньшей скоростью распространения
волн, чем сухие материалы. В результате при данном
эффективном диапазоне частот в более влажных материалах
разрешение по глубине больше. По этой причине для таких материалов
при данном разрешении по глубине эффективный диапазон
частот может быть уменьшен. Кстати, динамический диапазон и
так будет меньше, поскольку влажные материалы
обусловливают ботьшее затухание. Следовательно, существует
определенный диапазон свойств почвы, в пределах которого
разрешение практически не зависит от потерь.
Разрешение по горизонтали
Разрешение по горизонтали имеет значение при поиске
локализованных объектов, когда они находятся на одинаковой
глубине. Методы обеспечения разрешения по горизонтали
зависят от величины затухания сигнала в затеняющей среде.
Важно также знать, совмещены приемник и передатчик или
разнесены, причем разнос этот фиксированный или переменный.
В обычной ситуации подповерхностного зондирования с
совмещенными приемником и передатчиком осуществляется
сканирование земной поверхности над объектом, находящимся на
глубине d. Принятый после отражения от объекта сигнал
пропорционален
exp (-
где a - коэффициент затухания сигнала.
1-4

Полагая, что разрешение Д* определяется шириной (по
уровню половинной мощности) зависимости мощности принятого
сигнала от расстояния по горизонтали, можно приближенно
выразить разрешение по горизонтали следующим образом:
In 2
Ах .44
2+ad
причем, если произведение ad очень велико, это выражение
сводится к
Дх -3
Отсюда следует, что с увеличением затухания разрешение
по горизонтали увеличивается (предполагается, что сигнал в
достаточной степени превышает уровень шумов),
В средах с невысоким затуханием требуемое разрешение
по горизонтали обеспечивается методами синтезирования
апертуры или топографическими методами. Синтезирование
апертуры требует проведения измерений при определенном числе
позиций антенны, с тем чтобы результирующий луч оказался
намного более узким, чем у исходной антенны. Направление
синтезированного луча может варьироваться путем подбора
позиций антенны, в которых берутся, отсчеты. Тем самым может
увеличиваться угловое разрешение, Следует также отметить,
что затухание в среде ограничивает максимальный размер
апертуры при данном пороге обнаружения.
При топографических методах используется
монохроматическое излучение из ряда точек и определенное число положений
детектора. Возможно и применение совмещенных приемника и
передатчика, устанавливаемых в ряде точек над поверхностью
земли. Цель здесь состоит в измерении распределения
амплитуды и фазы поля в пределах синтезируемой апертуры над по-*
верхностыо земли и формировании трехмерного изображения
рассеивателей, создающих эти распределения» Так же, как и
при синтезировании апертуры, затухание сигналов снижает
информативность сигнала, а следовательно ограничивает
размеры апертуры, независимо от геометрических размеров
исходной апертуры. Ясно, что конкретная зависимость затухания
от частоты в данной среде в сочетании с вероятной глубиной
нахождения объекта обусловливает оптимальную рабочую часто-
8

ту для любого топографического метода: выбирается такая
частота, которая обеспечивает максимальную возможную апер-
ТУРУ» размеры которой выражаются в длинах волн.
Особенности принимаемого сигнала
Обычно при подповерхностном зондировании отношение
дальности (глубины) объектов к разрешению по глубине редко
превышает 20 и даже может равняться 1 или 2. По этой
причине .мешающий прямой сигнал между передающей и
приемной антеннами может приходить почти одновременно с
полезным принимаемым сигналом, а при применении ЛЧМ-импульсов
- вообще перекрывать его. Общее время, необходимое для
обнаружения объектов, на практике составляет 100 не, что
обусловливает серьезные трудности по временному разделению
излученного и принимаемого сигналов с помощью одной антенны.
Переключатели 'передача-прием* в таких случаях не
практичны вследствие недостаточной широкополосноеттг и низкой
скорости переключений. По этой причине чаще Всего находят
применение двухантенные системы, в которых приняты меры по
обеспечению подавления мешающего прямого сигнала. В
частности, можно применить антенны с ортогональными
поляризациями в сочетании с согласованной фильтрацией.
Мешающий прямой сигнал является, фактически, основным
источником помехи при работе подповерхностной РЛС; в
принимаемом сигнале присутствует составляющая,
обусловленная формой излучаемого сигнала, которую простым
усреднением по времени устранить невозможно. В
подповерхностных РЛ-системах эта помеха по целому ряду причин
вызывает заметные трудности. Во-первых, любые рассогласования в
нагрузках антенн приводят к возникновению колебательных
переходных процессов и, следовательно, к расширению во
времени мешающего прямого сигнала, И хотя этот сигнал со
временем затухает, также затухает (но уже из-оа потерь в
земле) и полезный принимаемый сигнал, отраженный от объекта.
Во-вторых, если антенна находится вблизи поверхности земли,
последняя как диэлектрическая среда модифицирует ее
характеристики. Поэтому любые неоднородности будут снижать
степень развязки между двумя антеннами, в исходной
постановке - ортогональными. При перемещении пары антенн над
поверхностью возникающие неоднородности изменяют указанную
1-5 9

развязку случайным образом, так что для устранения помех
необходимо использовать статистические методы.
При анализе шумов важно различать шум описанного типа и
шум, обусловленный нахождением рассеивателей в земле.
Последний может оказывать заметное влияние, даже в
отсутствие взаимодействия антенны с землей, в виде увеличения
сигнала, представляющего вариации диэлектрической
проницаемости в земле. Для эффективного подавления этого сигнала
необходимы априорные "знания о типе объекта, который должен
быть обнаружен, с тем чтобы знать, какая составляющая
сигнала представляет собой объект, а какая - шумы. Здесь
необходимо также применить пространственную фильтрацию,
осуществляемую под управлением экспертной системы с
библиотекой сигнатур (характерных особенностей) различных почв»
Принимаемый сигнал fr(t) содержит свертку
полезного сигнала, отраженного от ряда объектов в земле f&(t)9 с
рядом временных функций, обусловленных характеристиками
антенн, прямым сигналом между антеннами, фильтрацией
нижних частот в результате влияния земли, характеристиками
объектов и аддитивным шумом. Поэтому центральной
проблемой подповерхностного зондирования является выделение
полезного сигнала fdfO» После выделения полезного сигнала
можно производить его обработку с применением стандартных
методов, выбор которых осуществляется в соответствии с
назначением извлекаемой информации.
Диэлектрические свойства материалов
в поверхностных слоях Земли
Диэлектрические свойства материалов в поверхностных
слоях Земли определяются, главным образом, экспериментальным
путем. С учетом разнообразного состава почв, скальных пород
и льда их диэлектрические параметры могут значительно
изменяться даже в пределах одного типа материала.
Целесообразно различать следующие категории материалов: вода в
жидкой фазе, вода в твердой фазе (снег, морской или
пресноводный лед), скальные породы (которые могут быть пористыми и
содержать воду), незамерзшая почва, замерзшая почва,
вечная мерзлота. Эти категории охватывают почти все
материалы, диэлектрические свойства которых проявляются при noj*-
поверхностном зондировании. Эти материалы не обязательно
изотропны; слоистые материалы, такие как скальные породы
10

иди некоторые типы льда, могут быть анизотропными. Примем
нительно к подповерхностному зондированию важной
категорией материала является незамерзшая почва, В общем случае,
термин "почваг означает смесь минеральных частиц, размеры
которых малы по сравнению с длиной излучаемой волны,
воды, которая монсет содержать растворенные соли и, возможно,
органические вещества. Одна из причин важности этой
категории материала состоит в том, что объекты, оказывающиеся
в почве и обнаруживаемые подповерхностными РЛС, как
правило искусственного происхоисдения; требуется информация не
только о наличии объекта, но и о его координатах и окружении,
которое также может иметь искусственное происхождение.
Это обусловливает повышенные требования к системе, с тем
чтобы еще на этапе проектирования максимально учитывалась
вся информация о среде, в которой могут находиться объекты.
Для этой цели необходимы обширные экспериментальные и
теоретические исследования, направленные на изучение
диэлектрических свойств различных почв.
Материалы земли ослабляют электромагнитные волны за
счет как потерь на проводимость, так и диэлектрических
потерь.' Эти две составляющие потерь путем измерений на
одной частоте разделить невозможно. Выражаясь более строго,
заметим, что в уравнениях Максвелла, описывающих
распространение электромагнитных волн в проводящих диэлектриках,
комплексная диэлектрическая проницаемость е= е '-]е"и
комплексная проводимость о=о ф-\о0* всегда присутствуют в
комбинации аЦсое Отсюда:
вещественная часть эффективной , , ,„,
диэлектрической проницаемости е с в е--* /в>
вещественная часть эффективной
проводимости а с ~° + *>е
мнимая часть эффективной „ „
диэлектрической проницаемости е t ш е *а/й>
мнимая часть эффективной прово- „ „ ,
димости с
эффективный тангенс угла потерь
1-6 а'е * с 11
со ъ со в
а'

Применительно к подповерхностному зондированию
наибольшее значение имеют скорость распространения
электромагнитных волн и затухание в среде как функции частоты:
где с - скорость света;
ИЛИ
где f - частота в ГГц.
Вода и снег. Правильный учет диэлектрических свойств
воды позволяет оценить особенности распространения
электромагнитных волн в целом спектре материалов земной
поверхности. Основной механизм потерь в горных породах и почвах на
частотах более 500 МГй состоит в поглощении энергии волн
водой, присутствующей в порах. Свойства диэлектрической ре-
лаксадии воды хорошо описываются дебаевской релаксацией
на основе времени релаксации т>. Для чистой воды при 10°С
максимальное поглощение наблюдается на частоте 14,6 ГГц.
При этом г & 10,9» 10-3-2 с и уменьшается с ростом
температуры* При О С максимальные потери наблюдаются на
частоте 9 ГГц.
У льда время релаксации значительно больше. При О С лед
вносит максимальные потери на частоте 7,8 кГщ при -10°С
максимальные потери уже наблюдаются на частоте 3,1 кГц.
Поскольку чистая вода имеет весьма низкую удельную
проводимость (для льда а0 ш 10-8 См/м; для воды *о " Ю^См/м),
на рабочих частотах подповерхностных РЛС у воды и льда
можно ожидать низкое затухание. На практике примеси в воде
увеличивают <Tq примерно до 10""4 См/м у озерной воды и до
1 См/м — у морской. Тем самым увеличивается затухание.Лед
с трещинами имеет проводимость 10-4 См/м, у гладкого мор-
12

—3
ского льда <*q e 10 См/м. Примеси также изменяют
удельную проводимость льда.
Комплексная диэлектрическая проницаемость электролитов
Свода с примесями свободных ионов) в зависимости от
частоты со выражается следующим образом:
еЫ
где: ©s и е ^ - диэлектрические проницаемости статическая
и при бесконечной частоте; я и Ь - параметры.
Снег может рассматриваться как смесь льда и воздуха;
его параметры могут рассчитываться с применением методов,
специально разработанных для смесей. Для получения
хорошего совпадения с экспериментальными данными нужно
правильно подобрать геометрическую форму частиц льда,
Суяле.н*.т^ горные породы и минералы. Характеристики
горных пород Включают диэлектрическую анизотропию,
изменение проводимости в весьма широких пределах и изменение
диэлектрической проницаемости ©г' от 2 и 3 у сухих
песчаников до 40 для влажных пористых скальных пород.
Применение РЛ-техники для зондирования скальных пород
позволяет получить информацию о более глубоких слоях, когда
разрешение по глубине не так существенно. Следовательно,
для зондирования на больших глубинах следует применять
более низкие частоты. В частности, на частоте 30 МГц
удавалось получить информацию с глубины до 30 м.
Гораздо сложнее обстоит дело с подповерхностным
зондированием в слое угля, поскольку он обладает достаточно
высоким удельным сопротивлением (250 Ом/м на частоте
100 МГц) и потерями (5 дБ/м на той же частоте).
Солевые осадки в сухом виде могут вносить весьма
низкие потери (0А01 дБ/м на частоте 250 МГц).
Почвы» . Диэлектрические свойства почв изучаются
экспериментально и теоретически достаточно давно. К
настоящему, времени накоплен большой объем данных и разработано
много различных теоретических моделей. Ни одна из них,
однако, не является универсальной, поскольку ни один тип
почвы не является хорошо определенным материалом. Даже если
известен состав образца почвы и свойства каждой
составляющей, этого еще не достаточно для точного определения ди-
1-7 13

электрических свойств. На эти свойства влияет размер
частиц, электрохимические особенности их границ, а также
физические и химические особенности распределения в образце
воды, В частности, могут существовать различия между
свободной водой и водой, содержащейся в порах. По указанным
причинам упрощенные модели диэлектрических потерь
оказываются неполными, что приводит к заметным расхождениям
между экспериментальными и теоретическими данными.
Экспериментальные исследования проводились в широкой
полосе частот, представляющих интерес для
подповерхностного зондирования: от 100 МГц до 26 ГГц, При интерпретации
получаемых результатов делалось предположение о наличии
двух разнесенных, но расположенных близко релаксаций.
Доминантная релаксация обуславливает максимум потерь на
частотах от 1 до 4 ГГц, в зависимости от образца почвы.
Эксперименты показали, что спектр релаксаций воды в почве
смещается в сторону более низких частот, по сравнению с
большими массами воды. Не было выявлено существенного
различия между песчаными и глинистыми почвами (на основе
модели релаксаций), что было объяснено эффектами
поглощения на границе образцов. Во всяком случае, влияние
релаксаций следует ожидать на частотах выше 1 ГГц; на более
низких частотах на результаты иэмерейий Начинает влиять
структура почвы.
Другим фактором, проявляющимся на частотах ниже 1 ГПх
является Анизотропия удельной поверхностной проводимости:
мобильность носителей зарядов изменяется в зависимости от
электрического поля, • приложенного параллельно или
перпендикулярно поверхности гранул почвы.
Различные существующие полуэмпирические модели почв
как диэлектрических смесей позволяют рассчитать их диэлек-
тр**ческие параметры на частотах выше 4 ГГц, однако ниже
4 ГГц точность расчетов заметно падает. Соответствие между
теоретической моделью и экспериментом изменяется с
изменением типов почвы и содержания в них влаги, хотя общие
тенденции в частотных зависимостях и сохраняются.
Применяемые антенны
Подповерхностные РЛС обусловливают специфические
требования к антенным устройствам. В отличие от обычных РЛС,
при подповерхностном зондировании сигнал проходит через не-
14

однородный диэлектрический материал с потерями, который в
некоторых случаях может быть и анизотропным.
Обнаруживаемые объекты могут быть плоскими или иметь другую
хорошо определенную форму; по своей протяженности они часто
больше размеров пятна луча антенны. По этим причинам
проектирование антенн ведется с учетом как характеристик среды,
так и геометрической формы объектов. Характеристики
распространения электромагнитных.волн в среде влияют на форму
спектра излучаемого сигнала, т.е. спектр необходимо
подбирать таким образом, чтобы обеспечить нужное разрешение по
глубине и саму требуемую глубину проникновения сигналов.
Отсюда и возникают такие характеристики антенн, как
например, импульсная характеристика. Способ применения
антенн при подповерхностном зондировании предполагает
определенный уровень развязки (или связи) между
близкорасположенными передающей и приемной антеннами, взаимодействие
реактивного поля антенны со средой распространения волн и
ДР.
Особенности работы антенн при подповерхностном
зондировании обусловили внимание специалистов к широкополосным
антеннам, особенно с линейной фазовой характеристикой.
Исследования проводились одновременно с другими работами, где
также требовалась широкополосность. Так, для осуществления
подводной связи также понадобилось знание характеристик
антенн, расположенных в непосредственной близости от
полупространства с потерями или внутри; него.
Трудности использования одной антенны одновременно для
передачи и приема обусловлены необходимостью весьма
быстрого переключения с одного режима на другой, с тем
чтобы развязать передатчик и приемник. Это является
принципиальной причиной применения при подповерхностном
зондировании раздельных антенн, поскольку взаимная связь трактов
приема и передачи является критичным параметром. Важна
также конфигурация антенны, поскольку весьма часто среда
распространения волн и искомый объект могут находиться
в области реактивного поля или в ближней зоне антенны. В
результате взаимодействие среды, антенны и объекта может
заметно изменить характеристики как антенны, так и объекта.
Это все необходимо учитывать при проектировании антенной
системы,
В типовой подповерхностной импульсной РЛС антенна
должна работать в полосе частот 100 МГц - 1 ГГц, а в РЛС
1-8 15

с частотной модуляцией непрерывного излучения (ЧМНИ) - в
полосе 500 МГц - 1,5 ГГц. Это налагает ограничения на
типы антенн, которые могут нормально функционировать при
таких условиях. Импульсная характеристика антенны также
является критичным фактором, поскольку небольшое
расстояние до объекта требует оптимизации импульсной
характеристики по входной функции.
Земные породы оказывают существенное влияние на
качество работы подповерхностных РЛС. Важно при этом хорошо
разобраться в условиях распространения импульсов
электромагнитной энергии и особенностях работы антенн вблизи
земли. По этому поводу проведено достаточно большое число тео**
ретических и экспериментальных исследований, на основе
которых выработаны требования к антенным устройствам
подповерхностных систем. Одно из таких наиболее важных
требований состоит в необходимости обеспечения широкой
полосы рабочих частот, которое часто переходит в требование по
независимости качества работы антенны от частоты.
В подповерхностных РЛС успешно применяются четыре
типа антенн: элементарные антенны, антенны бегущей волны,
антенны с угловой независимостью и апертурные антенны.
Многие типы антенн возбуждаются через симметрирующий
трансформатор, обеспечивающий согласование
несимметричной линии передачи с симметричной излучающей структурой.
Для уменьшения размеров антенны и обеспечения развязки
между ее реактивным и ближним полем, а также
диэлектрическим полупровостранством с потерями, в которое антенны
излучают, используе£ся метод диэлектрической нагрузки.
Элементарные антенны. Среди элементарных антенн в
системах подповерхностного зондирования наиболее часто
применяются монополи (несимметричные вибраторы),
цилиндрические диполи и диполи с треугольными плечами. В общем
этот класс антенн характеризуется слабой направленностью,
линейной поляризацией излучения и ограниченным диапазоном
рабочих частот. Для тех антен£, у которых с помощью
специально подобранной нагрузки диапазон частот несколько
расширен, характерны низкие коэффициент усиления (КУ) и КПД.
Основное преимущество таких антенн заключается в малом
занимаемом объеме, что весьма существенно применительно к
размещению таких антенн, например, в скважинах. Еще одна
важная особенность состоит в возможности применения
скрещенных (ортогональных) диполей, что обеспечивает
16

хорошую развязку и эффективное различение определенных
плоских объектов.
Распределение тока на подобных антеннах хорошо
аппроксимируется небольшим числом элементов тока, так что
характеристики излучения достаточно просто рассчитываются.
Вследствие ограниченности диапазона рабочих частот у
тонких диполей и монополей и обусловленного этим
ухудшения импульсной характеристики основные усилия специалистов
направлены на устранение этих недостатков. В системе
подповерхностного зондирования, созданной в университете
шт. Огайо (США), были применены два ортогональных
петлевых симметричных вибратора с резистивной распределенной
нагрузкой и возбуждением через симметрирующие
трансформаторы. Такие антенны работали на частотах порядка 100 МГц.
Развязка между антеннами составляла 60 - 70 дБ, что с
помощью антенн с параллельной поляризацией получить на
практике весьма трудно. Это обусловливает более
предпочтительное применение скрещенных диполей для целей
подповерхностного зондирования.
Хорошие результаты дает распределенная резистивная
нагрузка, изменяемая вдоль длины диполя. В короткой
цилиндрической антенне с нагрузкой в виде распределенного
комплексного импеданса, обеспечивающего быстрое спадание
тока вдоль длины, удавалось существенно расширить диапазон
рабочих частот, хотя и ценой снижения КПД. Так, диапазон
рабочих частот у монополя составил 200 МГц - 5 ГГц. Мо-
нополь представлял собой стеклянный стержень длиной
150 мм и диаметром 2,5 мм с нанесенной на него
резистивной пленкой. КПД в полосе частот возрастал от 10% на
частоте 1 ГГц до 50% на частоте 10 ГГц. Импульсная
характеристика имела длительность примерно 70 не.
Распределение тока у антенн с описанной нагрузкой такое
же, как при бегущей волне. Однако режим излучения у них
отличен от режима излучения антенн бегущей волны. В
последнем случае распределение тока обусловливается самой
геометрией антенны, что дает высокий КПД по сравнению с
антеннами с распределенной нагрузкой.
В качестве широкополосных излучающих элементов могут
использоваться и биконические антенны. Бесконечная бикони-
ческая антенна является аналогом бесконечной однородной
линии передачи и имеет распределение тока, эквивалентное
уходящей бегущей волне. Конечная же антенна, вследствие усе-
17

чения конусов, имеет отраженную бегущую волну. Это
обусловливает существование стоячей волны. Диапазон рабочих
частот такой антенны возрастает с увеличением угла при
вершине конуса.
Для подповерхностного зондирования более
предпочтительной является плоская версия биконической антенны - диполь
с треугольными плечами. Пара ортогональных антенн такого
типа, имеющая вид мальтийского креста, обеспечивает
довольно высокую развязку между трактами передачи и приема.
Антенны бегущей волны. В антеннах бегущей волны поля и
токи на антенне могут быть описаны одной или большим
числом бегущих волн. Излучение наблюдается на разрывах
непрерывности (неоднородностях). Когда такие неоднородности
расположены близко или распределены, имеет место вытекающая
волна и обусловленное этим излучение. Во многих случаях
это излучение ненаправленное.
В качестве примера излучателей с бегущей волной можно
привести спиральные и диэлектрические стержневые антенны,
а также антенны в виде длинного провода* Если антенна
неправильно нагружена, в ней появляются отражения и,
следовательно, стоячая волна. Линейная антенна, такая как монополь,
обычно отличающаяся наличием стоячей волны, может
работать и в режиме бегущей волны. Для этого, на расстоянии
четверти длины волны от ее конца, необходимо включить ре-
зистивную нагрузку. Однако при этом достаточно широкий
диапазон частот, необходимый для излучения коротких импульсов,
не обеспечивается, поскольку величина и местоположение
нагрузочного резистора зависят от частоты.
Весьма эффективна структура в виде V-образного диполя,
работающего в режиме осевого излучения. В такой антенне
наблюдается бегущая ТЕМ-волна с постоянной фазовой скоростью.
Она известна под названием ТЕМ-рупор. ТЕМ-рупор
позволяет получить линейную фазовую характеристику, короткую
импульсную характеристику, ширину луча по уровню
половинной мощности -25 .
Частотно-независимые антенны. Основная особенность
проектирования антенн этого класса состоит в том, что их форма
полностью задается значениями соответствующих углов. В
результате их характеристики не зависят от частоты. На
практике в любой антенной структуре существует верхний предел
общего размера, а также нижний предел размера области
подключения фидера. Первый предел задает нижнюю, а второй —
18

верхнюю границы диапазона частот, который может быть
перекрыт. Для устранения искажений спектра излучаемого
сигнала (главным образом, появления "тонкой* структуры)
ограничение размеров антенны не должно сильно сказываться на
распределении тока. С помощью частотно-независимых антенн
можно.обеспечить весьма широкий диапазон частот, например,
40:1.
Как показывает анализ, среди частотно-независимых
антенн наиболее часто применяются спиральные плоские или
винтовые антенны. В общем случае, импульсная характеристика
антенн этого класса имеет увеличенную длительность
вследствие нелинейности фазовой характеристики. В результате
необходима фазовая коррекция, которая осуществляется на
практике с помощью, например, предаскажений, вносимых
аппаратными либо программными средствами. Возможно и
применение специальных схем дополнительной обработки сигналов, с
помощью которых осуществляется коррекция не только
амплитуды, но и фазы.
План арные и конические спиральные антенны с
постоянным углом намотки обладают качествами, весьма полезными
для целей ДЗ. Оба этих типа обеспечивают работу на
круговой поляризации, причем четырехэлементные (четырехзаход-
ные) спирали с постоянным углом намотки могут быть
сконструированы таким образом, чтобы иметь две ортогональных
пары элементов: одна пара на передачу, другая - на прием.
Это позволяет использовать для обнаружения такие
характеристики объектов, как деполяризация отраженных сигналов.
Плоские спирали не могут излучать только в одном
направлении, как это наблюдается у конических спиралей. Однако
они занимают минимальный физический объем, что является
их важным достоинством. Для предотвращения излучения в
двух (диаметрально противоположных) направлениях с
тыльной стороны спирали необходимо располагать радиопоглоща-
ющий материал. .
Архимедова спираль, хотя и обеспечивает больший
диапазон частот, но обладают более длительной импульсной
характеристикой, что обусловливает ее менее частое
применение в подповерхностных системах для обнаружения
объектов с небольшой дальностью,
Апертурные антенны. Примером апертурной антенны
может служить рупорная антенна, находящая применение в
19

подповерхностных РЛС с ЧМНИ. Во многих случаях
применяются широкополосные рупорные антенны с ребристыми
структурами на одной или двух стенках. В одной из систем pynoj>-
ная антенна с ребристыми структурами на двух стенках
обеспечивала диапазон частот 0,2 - 2,0 ГГц при существенно
уменьшенных» по сравнению с обычными рупорами, размерами.
КУ во всем диапазоне частот составлял 10 дБ при КСВН
менее 1,5. Подобный рупор был использован в качестве
облучателя в зеркальной антенной системе со смещенным
облучением, разработанной для подповерхностной РЛС с ЧМНИ с
диапазоном частот 1-2 ГГц,
Для излучения импульсов возможно применение ТЕМ-ру-
поров с экспоненциальным расширением. Один из таких
рупоров с диэлектрической нагрузкой, разработанный Юго-кэападным
институтом (шт.Техас), нормально функционировал в диапазоне
30 - 300 МГц.
Особенности проектирования рупорных антенн хорошо
известны. Необходимо лишь правильно выбирать тип модуляции
сигнала, поскольку в волноводах, через которые возбуждаются
рупорные антенны, наблюдаются фазовые искажения. В
настоящее время связь фазовых искажений с характеристиками
волноводов достаточно хорошо изучена, так что соответствующие
коррекции могут быть внесены.
Сбор данных
На выходе системы обработки данных подповерхностной
системы должно получаться изображение объекта, вследствие
чего необходима соответствующая запись выходных данных.
Во многих системах запись осуществляется на
термочувствительную бумагу. При этом любая обработка должна
осуществляться в реальном времени еще до записи. Результирующая
запись моисет быть затем предъявлена эксперту, который и
дает заключение на основе собственной интерпретации записи.
В более сложных системах данных записываются на
магнитный носитель или непосредственно вводятся в память
специализированной ЭВМ и позднее запоминаются. Весьма
полезна предварительная запись перед выводом и отображением на
бумаге, поскольку она обеспечивает выполнение впоследствии
дополнительной обработки. Такая возможность все чаще
начинает предусматриваться в последних разработках
подповерхностных систем.
20

Рабочие частоты подповерхностных РЛС могут превышать
1 Г1Х что обусловливает необходимость использования
системы выборки, с тем чтобы преобразовать данные в форму,
удобную для аналого-цифрового преобразования до
запоминания. Непосредственное преобразование данных в цифровую
форму потребовало бы слишком большого быстродействия от пре*-
образователя аналог-цифра, которое на сегодняшний день пока
не осуществимо» Данные обычно преобразуются в цифровую
форму в виде 8— или 12-разрядных чисел; длина каждой
записи составляет 256 временных интервалов (отсчетов). При этом
принимаются меры по устранению наложения спектров в
результате дискретизации.
Обработка сигналов
Термин 'обработка сигналов* предполагает извлечение
информации из сигналов, излученных подповерхностной РЛС и
отраженных от объекта, и представление этой информации в
форме, максимально облегчающей ее интерпретацию
пользователем. В подповерхностных РЛС обработка сигналов
направлена на формирование изображения, т.е. трехмерного
представления условий под поверхностью: объекты, находящиеся под
землей, неподвижны и наблюдение осуществляется в
совокупности с окружающими объектами, а местоположение
фиксируется относительно отсчетной сетки на земле. В
противоположность этому, в большинстве обычных РЛС осуществляется
слежение за целью и определение ее местоположения
относительно только передающей и/или приемной антенны. К тому же
цели, наблюдаемые обычными РЛС, быстро перемещаются или
- в случае погодных РЛС - изменяются.
Для эффективной обработки данных подповерхностного
зондирования необходимо комбинированное применение различных
методов обработки как последовательных, так и параллельных.
При этом обработка может вестись на различных уровнях:
- обработка исходных временных зависимостей;
- обработка совокупности временных зависимостей вдоль
линии (одна пространственная, одна временная координата) или
на плоскости (две пространственные, одна временная
координата);
- обработка по двум или трем измерениям на основе
знания характеристик объекта;
- обработка, направленная на реконструкцию особенностей
21

так ? чтооы окончательное изображение содержало только
информацию в заданной форме;
- обработка, направленная на извлечение информации в
соответствии с определенными пунктами меню, выбираемыми
пользователем, с возможностью нанесения отличительных ме-
то'к, выделения объекта и добавления независимо полученных
подкрепляющих материалов.
На этапе обработки сигналов выбирается такой уровень
обработки, который наиболее подходит к данному применению
подповерхностной РЛС и обеспечивает наиболее удобный ин- .
терфейс между получаемыми данными и пользователем. Так^
например, если пользователь является специалистом
(экспертом) по интерпретации данных, нет необходимости в
автоматическом выполнении последних этапов формирования
изображения аппаратными или программными средствами. В
сознании такого пользователя и без того объединяются все
априорные знания о типе объекта, который рассматривается.
Поэтому неудивительно, что перечисленные уровни, по мере
повышения, становятся все более зависимыми от степени
детализации получаемой информации. Реализация
автоматической обработки данных на разных уровнях приводит к разной
сложности процедур от базового последовательного (во
времени) анализа через обработку изображений до интерпретации
на уровне базы знаний. Следует отметить, что в настоящее
время в действующих подповерхностных системах обработка
ведется в основном на первом и втором уровнях. Более
высокие уровни обработки являются предметом проводящихся в
настоящее время исследований.
Особенности применения подповеохно^тнр^ систем
Подповерхностные РЛС находят самое разнообразное
применение в качестве средств зондирования непрозрачной
диэлектрической среды. В большинстве случаев эти применения
невоенного характера, хотя например, во Вьетнаме
армейские специалисты США с помощью подповерхностных систем
обнаруживали тоннели и неметаллические мины*.
Подповерхностные РЛС удобно группировать в
соответствии с дальностью объекта. Наиболее приемлемое разделение
на группы следующее: менее 0,5 м (малая дальность);
0,5 - 5 м (средняя дальность); более 5 м (большая
дальность). В зависимости от дальности изменяются и
предъявляемые требования.
22

Применения на малой дальности. Для этой группы
необходимо высокое разрешение, рабочая частота должна быть
выше 1 ГГй. Это обусловливает целесообразность применения
непрерывного излучения с ЧМ или непрерывного излучения с
голографической обработкой. Применения включают
обследование стен с целью выявления пустот и спрятанных объектов.
Наибольший интерес здесь представляют системы с
формированием изображения. Однако для целей визуализации
необходима весьма тонкая процедура сканирования, что связано с
рядом эксплуатационных и технических неудобств. Поэтому
необходима разработка способов, позволяющих обойти
возникающие трудности. Весьма перспективным представляется
метод классификации целей на основе сравнения с эталонами,
хранящимися в библиотеке.
Специалисты колледжа королевы Марии (Англия)
изучали особенности использования РЛС с ЧМНИ для
обнаружения объектов, спрятанных в стенах или межэтажных
перекрытиях. Разработаны две модификации системы
подповерхностного зондирования, одна из которых работает на частотах
8-10 ГГц, другая - в . полосе 1-2 ГГц. Более
высокочастотная система - носимая с наклоненной антенной
системой, имеющей диэлектрическую нагрузку и находящуюся
близко к земле. В низкочастотной системе применена зеркальная
параболическая антенна со смещенным облучателем -
рупором с ребристыми стенками. Эта система фокусирует энергию
на поверхности земли под определенным углом, с тем чтобы
минимизировать влияние отражений от этой поверхности.
Вычитание шумов, обусловленных материалом земли, повышает
возможности обнаружения объектов, а использование
библиотеки эталонов обеспечивает их надежную классификацию.
Микроволновая система с компьютерной реконструкцией
изображения применена специалистами Шеффилдского
университета (Англия) для формирования топографических
изображений объектов, погруженных в песок. Качество изображений
оказалось очень высоким для объектов размером в
несколько длин волн. Эта система, представляющая собой масштабную
модель более низкочастотной системы, обеспечивала апертуру
из 6000 точек (l5A x 15A) и использовала микроволновые
антенны как с ортогональными, так и с параллельными
поляризациями. При этом использование кроссполяризации
оказалось весьма полезным применительно к длинным тонким
объекта. 23

Разработаны различные системы для измерения толщины
стен. В частности, в Британской ассоциации исследований в
стекольной промышленности создан микрозонд для измерения
толщины прокатываемого стекла, В этой системе используется
непрерывное излучение и демодуляция с извлечением фазовой
информации Разрешение системы составляло несколько
сантиметров.
Американская фирма Roe and Ellerbruch создала систему с
ЧМНИ с рабочей полосой частот от 1 до 4 ГГц для измерений
толщины поверхностных угольных пород вплоть до 0,25 м, В
системе используются рупорные антенны с ребристыми
стенками и диэлектрические линзы. Погрешность измерений при
толщине слоя 0,26 — 0,6 м составляла ±14 мм.
Специалисты Технологического института шт. Джорджия
(США) проводили исследования по обнаружению и
классификации находящихся под землей неметаллических мин. Для этой
цели использовалась импульсная РЛС, разработанная фирмой
Calspan (США), Использование коротких импульсов
позволило выделять широкополосные сигнатуры целей на основе
различных алгоритмов обработки сигналов. РЛС содержала три
приемопередающих системы с короткими импульсами и
широкополосные ТЕМ-антенны. Излучаемый сигнал представлял собой
один период синусоиды длительностью 1,2 не с частотой
повторения 5 МГц, Все цели находились на глубине 0,15 м;
антенны находились над землей на высоте 0,1 м,
С помощью описанной системы изучались спектральные
характеристики, соответствующие физическим параметрам мин.
После устранения отражений от поверхности земли (с помощью
стробирования по дальности и процедуры вычитания)
оценивались пять различных алгоритмов классификации, реализуемых
в частотной области: кросскорреляция, корреляция импульсов,
пространственное разделение, выделение ближайшего
окружения и фищеровская линейная дискриминация. Было установлено,
что основным фактором, влияющим на спектральные
характеристики отраженного сигнала, является толщина мины, В
почвах с высокими потерями большая вероятность ложной тревоги
вызывается объектами со сходными размерами (например,
камнями, корневыми системами и т.п.). В почвах с низкими
потерями вероятность обнаружения мин составляла 0,9 при
вероятности ложной тревоги 0,1. Исследования показали, что при
работе в полосе частот 0,5 - 1,5 ГГц можно получить
достаточный для осуществления классификации объем информации.
24

Специалисты университета шт. Огайо применили
корреляционный процессор для-идентификации объектов типа мин.
находящихся на небольшой глубине. В РЛ-системе использовалось
импульсное излучение посредством настроенного диполя. Спектр
отраженного сигнала оценивался на основе анализа рез
шансов, обусловленных наблюдаемой целью, которые обычно лежат
в полосе частот 100 - 500 МГц. Классификация целей
осуществлялась на пороговой основе с использованием стробиро-
вания во времени, сценки мощности и амплитуды отраженных
сигналов. Для дальнейшей минимизации ложных тревог
отраженные сигналы сравнивались с отражениями от известных
целей, хранящимися в библиотеке отраженных сигналов. Было
установлено, что в пределах радиуса 0,3 м относительно
центра цели вероятность идентификации составляла 100%, в
то время как вероятность неправильной идентификации равнялась
1,7%. Эти значения получены при анализе отражений от 13
целей j подобных минам, и 58 ложных целей.
Применения на средней дальности. Средние дальности
предполагают применение РЛС на расстоянии до 5 м. Вследствие
высокого затухания в глинистых почвах бывает трудно
обеспечить одновременно требуемые глубину проникновения
сигналов и разрешение. Это обстоятельство обусловливает
разнообразие подходов к реализации системы. Так, короткие
излучаемые импульсы целесообразно применять, когда требуется
большая глубина их проникновения. Дело в том, что
передатчик с короткими импульсами и приемник выполнить проще, чем
систему с фазовой модуляцией непрерывного излучения для
диапазона 50 - 800* МГц.
Применения на средней дальности включают изучение
состояния дорог с целью выявления пустот, труб и кабелей. В
настоящее время основной метод представления данных
заключается в представлении вида сбоку (разреза по глубине вдоль
траектории перемещения системы). Для этой цели моисет
представить интерес любая система, обеспечивающая построение
плоского изображения. Однако при этом некоторые неудобства
связаны с необходимостью обеспечения точной развертки.
Большинство подповерхностных систем для определения
местоположения труб и кабелей используют эффект
деполяризации отраженных сигналов. Наибольшего успеха добились в
этом направлении специалисты университета шт. Огайо и
фирмы Microwave Associates (США) f специалисты Шеффилдского
университета совместно с Испытательным центром оборудования
25

для газовой промышленности (Англия) и Японская телефонно-
телеграфная компания.
Специалисты Испытательного центра оборудования для
газовой промышленности разработали подповерхностную РЛС с
короткими импульсами, в которой использовалась
вращающаяся многоэлементная спиральная антенная система.
Изображения кабелей и неметаллических труб получались с
использованием операций, обратных временной и пространственной
свертке. Система содержит тележку, соединенную кабелем с
основным оборудованием, размещенном в легковом автомобилеj
где данные запоминаются, обрабатываются и отображаются.
Оператор имеет возможность манипулировать многими
параметрами системы.
Сотрудники университета шт. Огайо создали систему
Grounds с an* В этой системе используются скрещенные
диполи и спиральные антенны, через которые работает импульсная
РЛС. В комбинации с компьютером НР-1ООО, с помощью
которого осуществляется обработка данных, эта система
обеспечивает построение изображений пластмассовых и
металлических труб, находящихся на глубине до 4,5 м. Максимальный
размер антенн 1,5 м.
Различные исследования по обнаружению труб показали>
что локальное содержание влаги в почве, вызванное
вытеканием газа из трещин в трубе, легко обнаруживается с
помощью подповерхностных систем. Это может использоваться
для обнаружения повреждений в трубопроводах.
Фирма Battelle Pacific Northwest (США) применяла
систему геофизического обзора (GSSI) для определения
местоположения пустых контейнеров и других искусственных
объектов, таких как трубы и кабели. Эта система использовалась
также для исследований структуры почв и геологических
формаций.
Подповерхностные системы находят применение и в
археологии. В основном это системы с излучением в виде коротких
импульсов.
Применения на больших расстояниях. Применения на
больших расстояниях предполагают обнаружение объектов на
расстояниях во много сотен метров. При этом применяемые
частоты составляют менее 100 МГц, что обусловлено
необходимостью обеспечения достаточной дальности. Находят
применение и обычные РЛС, устанавливаемые не только на земле, но
и на вертолетах и самолетах. В отдельных случаях для зонди-
26

рования песков пустынь на Земле или безводных горных
пород на Луне оказались полезными спутниковые РЛС.
Применения на больших расстояниях включают
зондирование пресной воды, льда и снега, а также геологических
слоев, таких как соль, калиевый полевой шпат (поташ) и песок.
Наиболее распространенным способом представления
информации является построение вида сбоку, т.е. разреза, начиная
с поверхности и далее вглубь.
Использование импульсных РЛС с рабочей частотой 100-
200 МГц позволило зондировать слои минералов на сотни
метров вглубь» Удавалось также строить карты дна на
глубине до 25 м. Изучение ледовых образований велось главным
образом в Антарктиде. Так, РЛС с короткими импульсами и
рабочей частотой 2,8 ГГц, установленная на вертолете,
использовалась шш зондирования Великих Озер. Впоследствии
она была применена для определения толщины льда. РЛС с
короткими импульсами и рабочей частотой (центральной)
480 МГц, установленная на вертолете, использовалась для
наблюдений с воздуха трассы аляскинского трубопровода.
Удалось также отслеживать слой вечной мерзлоты на глубину
до 3 м. С помощью низкочастотной (центральная рабочая
частота 60 МГц) импульсной РЛС в Арктике удалось
зондировать ледник на глубину до 40 м. При рабочей частоте
5 МГц глубина зондирования оказалась заметно больше.
Подповерхностное зондирование и формирование
изображений с помощью спутниковой РЛС возможно при наличии
гладкой в РЛ-смысле поверхности, если материал
мелкозернистый, толщиной не более нескольких метров и очень сухой.
Если толщина материала меньше глубины проникновения
сигнала, отраженный сигнал может значительно возрасти
вследствие рефракции электромагнитных волн и снижения
обратного рассеяния за счет падения волны под углом.
Специалисты Лаборатории реактивного движения (США)
показали, что спутниковая РЛС SIP-А обеспечивает
обнаружение русел высохших рек под поверхностью пустыни
Сахара, Такая возможность обусловливалась чрезмерной
сухостью в районах пустыни, где глубина проникновения сигнала
достигает 5 м и даже более.
С помощью РЛС системы *Сисат", работающей в
L-диапазоне, удалось обнаруживать дайки под поверхностью в
пустыне Мохаве на глубине 1 - 2 м.
27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Подповерхностное зондирование с использованием средств
радиолокации является одним из немногих методов,
обеспечивающих исследование объектов или геологических структур,
находящихся под поверхностью оптически непрозрачной среды. На
сегодняшний день, основное число заявок на разработку и
использование подповерхностных систем исходит от гражданских
организаций: коммунальных служб (газо- и водоснабжение,
электричество и др.), телефоно-телеграфной сети, компаний по
добыче (и разведке) газа и нефти, различных геофизических
исследовательских организаций и др. По сравнению с
обычными РЛС затраты на создание подповерхностных систем
заметно меньше.
Следует отметить, "что подповерхностные РЛС -
сравнительно новая развивающаяся область техники. Их развитие идет в
двух направлениях: 1) развитие методов и средств обработки
сигналов, особенно для формирования трехмерных изображений;
2) техническое совершенствование существующих систем и
разработка новых систем и модулей к ним, в частности,
разработка новых антенн.
Весьма важной представляется необходимость в точной,
компактной и дешевой системе привязки к поверхности, которой
должны оснащаться подповерхностные системы. Это особенно
существенно, например, для коммунальных служб. Ощущается
необходимость в средствах перемещения компактных
подповерхностных систем, таких как, например, специальные тележки
с системой сопровождения. Если подповерхностная система
обеспечивает возможность формирования изображения, важно^
чтобы обработка сигналов велась в реальном времени. Вообще
же обработка сигналов представляется ключевым моментом.
Дальнейшим стимулом к развитию систем
подповерхностного зондирования явилась бы разработка дешевого матричного
процессора. Весьма большое значение придается вопросам
анализа временных выборок сигналов, принимаются во внимание и
недавние успехи в области развития методов моделирования- В
этом смысле важны теоретические изыскания, направленные на
углубление понимания особенностей работы антенн в
непосредственной близости к поверхности земли. Результатом таких
изысканий могло бы явиться создание антенны с короткой
импульсной характеристикой с минимальным ухудшением
качества за счет влияния земли. Разработка переключателей "переда-
28

ча-прием" с достаточно высоким быстродействием обеспечит
создание одноантенных систем. Перечисленные
усовершенствования позволят существенно улучшить характеристики
подповерхностных систем, что будет способствовать их более
широкому применению*
MIEE Proceedings", 1988§ 1351 Part F, » 4, 278-320,
343-353, 354-361, 371-379, 380-380

СОДЕРЖАНИЕ
Введение . . . . • • • ♦ . . 3
Обеспечиваемое разрешение ••••• 5
Разрешение по горизонтали . • . . . • ••••• 7
Особенности принимаемого сигнала ••••••• 9
Диэлектрические свойства материалов в поверхностных
слоях Земли • •••••••••••»...••••••• Ю
Применяемые антенны ...•.•••.•••••.•••• 14
Сбор данных .••••••••• ..•••••••• 20
Обработка сигналов ••••• ••••• ^А
Особенности применения подповерхностных систем • . • • ^<£
Заключение ...» 28
Технический редактор Л.П. Наймушина
Корректор ОЛ* Кронштадгова
Сдано в набор 10.01.90 Подписано в печать 03.01.90
Формат 60 *90 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная
Усл.печ.л. 2,0 Усл.кр.-отт. 2,06 Уч.-изд.л. 1,60
Тир. 425 экз. Заказ 6Д
Адрес редакции: 125219, Москва, Аг219,Балтийская ул.Д4
Тел. 152-54-94
Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ
140010, Люберцы 10, Московской обл., Октябрьский проспект, 403