1.2 Отражение и дифракция электромагнитных волн
Распространение электромагнитных волн в первом приближении подчиняется законам геометрической оптики (рис.1. 1, рис. 1.2).
Отражение электромагнитных волн. Коэффициент отражения при нормальном падении волны на границу двух сред 1 и 2 с различной диэлектрической проницаемостью ε будет:
.
Дифракция электромагнитных волн. Это явление возникает в том случае, когда электромагнитными волнами облучается объект, размеры которого сравнимы с преобладающей длиной волны.
Это чрезвычайно важное для георадиолокационных следований явление, которое позволяет определить глубину залегания объекта и скорость распространения электромагнитных волн в среде над объектом. Дифрагированная волна на радарограмме выражается в виде гиперболы (годографа дифрагированной волны), которая описывается следующим уравнением:
,
Рис. 1 - Схема образования отраженной волны от наклонной границы раздела слоев с разными диэлектрическими проницаемостями (А – глубинный разрез вдоль линии наблюдения; Б -временной разрез)
Рис. 2 - Схема образования дифрагированной электромагнитной волны от трубы (А - глубинный разрез вдоль линии наблюдения; Б - временной разрез)
где L - путь, пройденный волной, V - скорость, h - глубина залегания объекта.
Глубинность, разрешающая способность и детальность георадарных исследований.
Глубинностью исследований называется максимальная глубина отражающего объекта, который проявляется на радарограмме. Глубинность исследований тем больше, чем ниже центральная частота возбуждаемых электромагнитных колебаний и выше удельное сопротивление разреза, так как поглощение электромагнитного поля пропорционально корню из произведения частоты и проводимости.
Разрешающей способностью по глубине называют минимальное расстояние по глубине, на котором могут быть различимы два отражающих объекта или их детали. Она определяется длиной волны, которая прямо пропорциональна скорости и обратно пропорциональна частоте электромагнитных волн в среде.
Разрешающая способность по горизонтали определяется размером первой зоны Френеля. Размеры первой зоны Френеля зависят от глубины объекта и центральной частоты зондирующего импульса. Чем меньше глубина и выше частота, тем меньше размер 1ой зоны Френеля и, следовательно, выше разрешающая способность по горизонтали.
При понижении частоты падает разрешающая способность, но увеличивается глубинность исследований. Например, при сопротивлениях 150 -300 Ом·м и частоте 50 - 100 МГц глубинность составляет в среднем 10 – 15 метров, а разрешающая способность при этом составит 0.5 - 1 м.
Детальность или интервал наблюдений (расстояние между трассами) по профилю зависит от свойств аппаратуры и способа наблюдений. Она определяется двумя характеристиками - количеством сигналов, возбуждаемых и принимаемых в единицу времени и скоростью перемещения по профилю при работе в движении. Рекомендуемое расстояние между трассами 4 - 5 см.
На рис.3 показаны результаты физического моделирования полей дифракции над различными неоднородностями, закопанными в грунт.
Рис. 3 - Радарограммы, полученные на тестовом полигоне (Италия). Георадар RAMAC/GPR, частота 200МГц. А – радарограмма, Б – физическая модель разреза
Тестовые объекты: A) полистироловый диск, диаметр 60 см, толщина 30 см, глубина до верхней кромки около 100 см; B) полистироловый диск, диаметр 60 см, толщина 15 см, глубина до верхней кромки около 60 см; C) бетонная труба, диаметр 60 см, глубина до центра около 100 см; D) полихлорвиниловая (PVC) труба, диаметр 20 см, глубина до центра около 60 см; E) железная труба, диаметр 6.35 см, глубина до центра около 60 см; F) железная труба, диаметр 6.35 см, глубина до центра около 30 см; G) деревянный диск, диаметр 60 см, толщина 4 см, глубина до верхней кромки около 60 см; H) железный диск, диаметр 60 см, толщина 4 см, глубина до верхней кромки около 60 см.