Способ зимнего георадиолокационного исследования подводных объектов Российский патент 2024 года по МПК G01V3/15 G01S13/88 H01Q1/12 

Изобретение относится к геофизике, а именно к георадиолокации в условиях среды, при которой происходит естественное затухание электромагнитных сигналов, и может быть использовано в радиолокационной разведке водных объектов, покрытых льдом, в частности, для обнаружения в зимний период трубопроводов, линий связи, в глубоководных водоемах и/или под слоем донных отложений.

В способе электромагнитных изысканий по патенту RU №2407043 (кл. G01V 3/12, опубл. 20.12.2010) предлагается использование адаптированной конструкции георадара, буксируемого надводным кораблем, регистрирующего электромагнитные волны посредством стационарно установленных на дне приемниками электромагнитного излучения. Получаемую информацию используют для уточнения строения среды в областях с идентифицированной ранее геологической структурой, представляющей интерес для прикладного использования.

Известное техническое решение используется в подводном режиме, при этом буксируется надводным кораблем, что требует дополнительных трудозатрат для проведения радиолокационного исследования, и не предназначено для радиолокационной разведки водных объектов, покрытых льдом. Кроме того, присутствует необходимость переделки конструкции георадара таким образом, чтобы обеспечить герметичность и обтекаемость обшивки.

Известны способы геофизической разведки на акваториях, покрытых льдом с использованием ледоколов, подводных аппаратов и вертолетов. Например, способ сейсмической разведки на акваториях, покрытым льдом (см. RU №2410726, кл. G01V 1/38, опубл. 27.01.2011), где для сейсмической разведки предложено генерировать сейсмический сигнал с помощью двойного взрывного заряда, сбрасываемого с летательного аппарата, причем, первый заряд разрушает лед, а второй генерирует сейсмический сигнал.

В аналоге используют дорогостоящие активные излучатели, что приводит к высокой стоимости эксперимента, кроме того, энергообеспечение и доставка в нужную географическую точку устройств также сопровождается с большими финансовыми затратами. При этом, мощный акустический сигнал, необходимость выполнения взрывных работ оказывают пагубное влияние на морских обитателей и может привести к серьезным экологическим последствиям. Кроме того, измерения проводятся локально, непосредственно в месте нахождения измерительных модулей, что не позволяет эффективно использовать устройство для мониторинга обширных арктических акваторий и нефтегазовых провинций.

Известны устройства для георадара, например, использование антенного блока радара, перемещающегося в горизонтальной плоскости по раме, закрепленной на телескопической башне (см. US №6094157, кл. G01S 13/426, опубл. 25.07.2000). Башня обеспечивает изменение высоты и угла наклона рамы, тем самым, позволяет сканировать подповерхностный объем с целью исследования недоступных участков из одной позиции.

Также известно наземное зондирующее радиолокационное устройство (см. CA №1332847, кл. G01V 3/12, G01S 13/02, G01V 3/15, G01S 13/88, опубл. 01.11.1994), содержащее опорный узел, перемещающийся по земле, антенный комплект, содержащий передающие и приемные элементы и установленный на опорном узле с возможностью вращения вокруг оси, направленной в землю, приводной двигатель, установленный на опорном узле и соединенный с антенным узлом с возможностью вращения вокруг указанной оси.

Известные устройства не пригодны для исследования подводных объектов в зимних условиях, например, линейных объектов. Кроме того, известно, что высокий френелевского коэффициент отражения на границе однородных сред льда и воды создает рассеивание электромагнитных волн по льду, как по волноводу, является критическим недостатком применения георадаров при контакте с ледяной поверхностью.

Кроме того, способ проведения 3D подводно-подледной сейсмоакустической разведки с использованием подводного судна по патенту RU №2485554 (кл. G01V 1/38, опубл. 20.06.2013) предполагает проведение подводно-подледной разведки посредством перемещения вблизи дна исследуемой морской акватории излучателя акустического сигнала, установленного на подводном судне, а сигналы, рассеянные неоднородностями среды, принимать с помощью донных автономно работающих сейсмоакустических приемников.

Недостатком известного решения является использование активного излучения с подводного судна, что требует дополнительных, по сравнению с пассивными методами мониторинга, энергозатрат для проведения глубинного зондирования и, как следствие, ограничивает время функционирования судна, в том числе и в случае наличия сложных ледовых условий.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности георадиолокационных исследований подводных объектов на водоемах, покрытых ледяным покровом.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, выражается в повышении глубинности исследования георадара при зондировании сквозь ледяной покров и уменьшения количества сигналов-помех.

Для решения поставленной задачи способ георадиолокационного исследования подводных объектов, включающий георадарную съемку по зоне обследования подводного объекта, характеризуется тем, что используют каркасное антенное устройство для георадара, содержащее корпус для размещения георадара, состоящий из полозьев и каркаса, сформированного из вертикальных стоек, жестко соединенных посредством нижних поперечных балок, и верхней подвижной горизонтальной рамы, составленной из балок и угловых втулок, свободно сопрягаемой с вертикальными стойками через угловые втулки, снабженными фиксаторами, для чего, георадар с антенным блоком и блоком управления с устройством регистрации закрепляют к верхней раме каркасного устройства, выполняют настройку высоты установки георадара относительно поверхности ледяного или снежного покрова в пределах 100 см посредством подвижной рамы с фиксаторами, после чего, выполняют проходку и георадарную съемку, перемещая устройство на полозьях по заданной сетке профилирования участка.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Совокупность признаков изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, повышение эффективности зондирования стандартными георадарами при обследовании подводных объектов в зимних условиях за счет сокращения количества отражений от трещин во льду, создающих помехи для сигналов, полученных от донных отложений.

Заявленное техническое решение предназначено для разведки водоемов с поверхности льда и обеспечивает высокую производительность, низкозатратность исследовательских работ. Новизна самого подхода заключается в радиолокационном исследовании в режиме реального времени донных отложений в условиях различного распространения электромагнитных волн в контактных средах: воздух, снег, лед и вода. Кроме того, решение позволяет адаптировать параметры съемки в зависимости от условий обследуемого участка. В отличие от традиционного георадиолокационного зондирования, основанного на непосредственном контакте с границей поверхности снежного или ледяного покрова, настоящим изобретением создается дополнительная воздушная среда между поверхностью ледяного покрова и георадаром, которая позволяет улучшить качество получаемой информации в соотношении сигнал/шум и избежать излишнего распространения сигнала вдоль ледяного покрова, что сильно ограничивает глубину проникновения электромагнитных волн.

Таким образом, в техническом решении используется устройство, способствующее изменению расстояния между георадаром и ледяной границей для решения проблемы рассеивания электромагнитных волн по льду за счет формирования необходимого пространства для достижения достаточной амплитуды электромагнитной волны, способной пройти сквозь ледяную толщу с различной мощностью. Прохождение сигнала с максимальной амплитудой в моменте контакта со средой, также дает возможность для наиболее точного определения мощности снежного и ледяного покровов, что также, зачастую, входит в ряд решаемых задач георадиолокации в зимний период.

Заявленное устройство представляет собой платформу для размещения антенн и блоков управления стандартного георадара и иллюстрируется чертежами, где на фигуре 1 схематично показан общий вид платформы, на фигуре 2 - схема размещения на платформе георадара с блоками антенн и управления, на фигуре 3 - схема обследования подводного объекта при использовании подвижной платформы для антенного устройства георадара, на фигуре 4 - примеры георадарного профиля, выполненного на реке Лена (А - полученный с поверхности снега, Б - полученный по поверхности чистого льда), на фигуре 5 - примеры радарограмм, полученных антенной АБ-150 МГц (А - в контакте со льдом, Б - на высоте 20 см, В - на высоте 40 см, Г - на высоте 60 см).

Платформа для антенного устройства состоит из каркаса, включающего две нижние неподвижные балки 2, жестко соединенные через муфты с четырьмя вертикальными стойками 3, опирающимся на двух полозьях (лыжах) 1, также через усиливающие муфты, и верхней четырехугольной горизонтальной рамы, выполненной с возможностью продвижения вверх или вниз по стойкам 3 и сформированной из четырех поперечных балок 4, соединенных друг с другом через муфты и втулки 5, подвижно установленных (сопрягаемых) на стойках 3 (см. фиг. 1-2).

Детали корпуса могут быть изготовлены из металла или морозостойких видов пластика.

Балки 2 со стойками 3 создают жесткую раму каркаса платформы, которая может быть собрана из отдельных деталей на разъемных соединениях для удобства сборки-разборки корпуса. Лыжи 1 предназначены для перемещения устройства по льду или снегу при ручном воздействии или при помощи иного вида прицепного привода. Таким образом, горизонтальная рама, созданная посредством балок 4 и втулок 5, подвижно посажена на стойки 3 и предназначена для размещения георадара с блоками антенн и управления. При этом настройку расстояния между поверхностями водного объекта и антенных блоков выполняют посредством опускания или подъема рамы вдоль стоек 3. Фиксирование рамы может быть осуществлено посредством винтовых (прижимных) фиксаторов известной конструкции, устроенных во втулках 5 (на чертежах не показано). Иное простое решение фиксатора может быть выполнено посредством штырей, устанавливаемых в сквозных отверстиях, выбранных во втулках 5 и стойках 3 на определенных расстояниях друг от друга. Для этого на стойках 3 могут быть дополнительно нанесены соответствующие измерительные разметки (шкалы).

Заявленное антенное устройство для георадара работает следующим образом.

На месте обследования производится сборка платформы, например, в следующем порядке: к лыжам 1 в специальные разъемы устанавливают стойки 3, а далее - к стойкам 3 присоединяют нижние балки 2. Закрепляя балки 2 к стойкам 3 создают жесткую раму корпуса платформы. Далее, стойки 3 через втулки 5 свободно сопрягают с верхней подвижной рамой, предварительно собранной из балок 4 (см. фиг. 1-2).

На собранный каркас к горизонтальной раме, например, снизу, прикрепляют георадар с блоками антенн 7 и дистанционным управлением 8, посредством разъемного крепления 6 (например, стропы). Далее устанавливают радиосвязь, блока управления 8 с блоком регистрации 9, например, через Wi-Fi или Blutooth (см. фиг. 2). Возможно соединение блоков 8, 9 через проводную радиосвязь. При этом, блок регистрации 9 может быть размещен на транспортном средстве, либо находиться во время съемок непосредственно у самого пользователя. Всю установку можно буксировать с помощью транспортного средства, например, снегохода, либо же волоком силами самого пользователя. После сборки и подготовки антенного устройства проводят апробацию выбранных параметров зондирования, настройку оборудования по высоте размещения на платформе, после чего, установка подготовлена для работы (см. фиг. 3).

Выбор параметров съемки, в первую очередь, зависит от поставленных задач. Например, для исследования донных отложений озера, возможно использование антенны с частотой 250 МГц, с помощью которой определяют глубину водоема и оконтуривают рельеф дна. Допустимая высота для подобной антенны составляет 20-80 см. В случае, если не хватает разрешающей способности антенны, можно поменять антенну с более низкой частотой, например, 150 МГц и провести дополнительную съемку на участках с неопределенными данными, манипулируя высотой установки от 20 до 60 см.

Для исследования донных отложений рек рекомендуется изначально применять антенну с частотой 150 МГц и комплексировать с другими антеннами в случае необходимой детализации.

Во всех водных объектах для определения мощности снежного и ледяного покровов, возможно применение антенны с частотой 400 МГц, для которой может быть предусмотрена возможность подъема подвижного блока до 100 см.

Для решения задач, связанных с линейными подводными объектами, при определении их положения (направления) или при поиске локальных объектов, автономность и мобильность установки позволяет проведение площадной съемки под разными углами профилей зондирования.

Таким образом, при эксплуатации продуктопроводов необходимо регулярно проводить обследования линейных инженерных сооружений на речных переходах. При этом, как правило, первоначально известна ось расположения трубопровода, например, по пикетам его береговых выходов. Зная ось положения трубопровода, можно выбрать угол положения установки так, чтобы передатчик при пересечении трубопровода всегда располагался параллельно оси трубопровода. К примеру, если обследование проводить галсами под углом в 45 градусов, нужно располагать приемо-передающие антенны под углом 45 градусов. При этом необходимо менять угол в противоположную сторону (зеркально) в зависимости от пересечения оси трубопровода. При подобной съемке отраженные сигналы от трубопроводов всегда будут с максимальными амплитудами, что очень важно при обследовании в глубоководных водоемах, покрытых льдом, где естественным образом часть электромагнитных волн распространяется вдоль ледяного слоя, а часть затухает.

На фигуре 4 представлены георадарные профили, пройденные в поперечном направлении в 50 м друг от друга на одном и том же участке реки Лена в Республике Саха (Якутия). Толщина льда на момент измерений составляла 1,6 м, ширина реки 1360 м. Данные получены дипольными антеннами «ОКО-2» с центральной частотой 50 МГц. Профили представлены без особой обработки, использованы идентичные для обоих профилей процедуры усиления сигналов и обрезки верхней части временной развертки до зондирующего сигнала. Единственным отличительным условием для получения профилей является поверхность, с которой проведена георадиолокационная съемка.

В первом случае профиль пройден по снежной целине (естественное залегание снега на реке), где толщина снега составляла, в среднем, 0,5 м (см. фиг. 4А). По профилю расположены участки с небольшими торосами реки, в частности: по левому берегу первые 100 м, на участках от 900 до 1000 м и от 1170 до 1230 м от левого берега. Крупные торосы отмечены одинарными метками.

По георадарному разрезу просматривается рельеф дна реки, а также оси синфазности внутри донных отложений. Торосы мешают распространению георадиолокационных сигналов вглубь реки, создают «звон», и перекрывают полезный сигнал, полученный от донных отложений.

Во втором случае профиль получен с поверхности льда, полностью расчищенного от снега (см. фиг. 4Б). Данные на этом профиле принципиально отличаются от предыдущего профиля. Не видны отражения даже от рельефа дна, присутствует большое количество отражений от трещин во льду (гиперболы). Присутствуют кратные переотражения.

Также получены однозначные результаты о невозможности получения положительных георадарных данных георадиолокационного зондировании рек и озёр при наличии мокрого снега на поверхности льда.

Заявленное техническое решение предусматривает возможность подъема георадара для съемок на определенную высоту над поверхностью льда и, поскольку диэлектрическая проницаемость воздуха и сухого снега практически одинаковая, повысить разрешающую способность георадара при зондировании сквозь ледяной покров и уменьшить влияние сигналов-помех.

На фигуре 5 представлены данные георадарного исследования на участке газопровода через реку Лена в Республике Саха (Якутия) при использовании антенны АБ-150 МГц на разных высотах. Участок был полностью без снежного покрова, содержал многочисленное количество майн и трещин после работы водолазов. На радарограммах прослеживались огромное количество шумов.

При непосредственном контакте со льдом (высота 0 см) полезный сигнал не наблюдается, все перекрыто шумным сигналом. На участке 20-27 м можно оконтурить рельеф дна. На метке нельзя обнаружить газопровод (см. фиг. 5А).

При высоте радара 20 см на отметке однозначно можно определить газопровод. Количество шумных сигналов заметно уменьшилось. Рельеф дна прослеживается. Глубина газопровода 4 м (см. фиг. 5Б).

При высоте радара 40 см на отметке, также можно обнаружить газопровод, сигнал получен наиболее контрастным, также как и сигнал от рельефа дна. Однако необходимо учесть поправки за высоту, поскольку, глубина от предыдущего разреза отличается (см. фиг. 5В).

При высоте радара 60 см удалось практически избавиться от шумных сигналов, однако контраст полезной информации также уменьшился. Это означает, что зондирующий сигнал, с максимальной амплитудой был рассеян по воздуху, а на границу льда поступил сигнал с меньшей амплитудой. На данном файле, также необходима поправка за высоту (см. фиг. 5Г).

Таким образом, исследование при помощи заявленного устройства для георадара также будет эффективно в случаях, когда линейное инженерное сооружение расположено в донных отложениях, что приводит затуханию сигналов и требует использования большей энергии для обнаружения объектов. Зондирование по ледяному покрову дает преимущество над гидрорадиолокацией в возможности находиться в неподвижном состоянии, чтобы установить такое положение, при котором центр георадара находится непосредственно над исследуемым объектом.

Использование настоящей полезной модели будет востребовано в условиях Крайнего Севера и сплошного распространения мерзлоты, где водные объекты начинают промораживаться уже в середине октября и остаются в ледяном покрове до начала мая. Большинство пресноводных водоемов северной части криолитозоны покрыты льдом более 6 месяцев в году, при этом толщина льда в реках и озерах может превышать 3 метра.

Изобретение относится к геофизике, а именно к георадиолокации в условиях среды, при которой происходит естественное затухание электромагнитных сигналов, и может быть использовано в радиолокационной разведке водных объектов, покрытых льдом, в частности, для обнаружения в зимний период трубопроводов, линий связи, в глубоководных водоемах и/или под слоем донных отложений. Предложен способ георадиолокационного исследования подводных объектов, включающий георадарную съемку по зоне обследования подводного объекта, который характеризуется тем, что используют каркасное антенное устройство для георадара, содержащее корпус для размещения георадара, состоящий из полозьев 1 и каркаса, сформированного из вертикальных стоек 3, жестко соединенных посредством нижних поперечных балок 2, и верхней подвижной горизонтальной рамы, составленной из балок 4 и угловых втулок 5, свободно сопрягаемой с вертикальными стойками 3 через втулки 5, снабженными фиксаторами. Георадар с антенным блоком 7 и блоком управления 8 с устройством регистрации 9 закрепляют к верхней раме каркасного устройства, выполняют настройку высоты установки георадара относительно поверхности ледяного или снежного покрова в пределах 100 см посредством подвижной рамы с фиксаторами в зависимости от условий съемки и типа используемого антенного устройства. Далее выполняют проходку и георадарную съемку, перемещая устройство на полозьях 1 по заданной сетке профилирования участка. Технический результат - повышение эффективности применения георадаров при обследовании подводных объектов за счет усиления разрешающей способности георадара при зондировании сквозь ледяной покров и уменьшения количества сигналов-помех. 5 ил.

Способ георадиолокационного исследования подводных объектов, включающий георадарную съемку по зоне обследования подводного объекта, характеризующийся тем, что используют каркасное антенное устройство для георадара, содержащее корпус для размещения георадара, состоящий из полозьев и каркаса, сформированного из вертикальных стоек, жестко соединенных посредством нижних поперечных балок, и верхней подвижной горизонтальной рамы, составленной из балок и угловых втулок, свободно сопрягаемой с вертикальными стойками через угловые втулки, снабженными фиксаторами, для чего георадар с антенным блоком и блоком управления с устройством регистрации закрепляют к верхней раме каркасного устройства, выполняют настройку высоты установки георадара относительно поверхности ледяного или снежного покрова посредством подвижной рамы с фиксаторами, после чего выполняют проходку и георадарную съемку, перемещая устройство на полозьях по заданной сетке профилирования участка.