История создания георадаров ГРОТ

«Крёстным отцом» технологии георадиолокации, представляемой нашим коллективом можно считать академика Владимира Александровича Котельникова, который в 1987 году, возглавляя «Интеркосмос» выбрал нашу группу в качестве разработчиков георадара для программы Марс-94. Причём ИЗМИРАН, который мы тогда представляли, конкурировал, в части создания прибора для зондирования Марса, с ИРЭ РАН, который он возглавлял.

К моменту принятия им этого решения у нас не было ни теоретических оценок, ни даже лабораторного макета, была только идея. Нас он знал потому, что мы успешно решали проблемы с передачей информации в низкочастотном диапазоне на значительную глубину в низкоомные среды. Специалистам уже имевшим в этой области опыт и авторитет (М.И. Финкельштейн, Н.А. Арманд, Н.П. Чубинский и др.) он отказал: «Эти ребята может быть и смогут когда-нибудь «просветить» Марс на 150 метров, а вам с вашими попытками улучшить уже имеющиеся технологии этого при моей жизни не добиться».

Жёсткость ограничений накладываемых на массу, габариты и потребление энергии характерных для всех космических приборов, вынудила специалистов различных организаций, и прежде всего ИЗМИРАН, пойти нетрадиционным для классической радиолокации путём, создавая сверхширокополосный моноимпульсный радиолокатор (1).

В то же время в ИЗМИРАН началась работа по применению этой перспективной конструкции для практического использования, в частности, в коммунальном хозяйстве, и было разработано устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности на сравнительно небольшую глубину (2).

Через 12 лет на научной сессии ООФА РАН было заслушано два доклада, посвящённых развитию технологии георадиолокации: один делал доктор физ.-мат. наук Александр Евгеньевич Резников (директор отделения ИЗМИРАН), один из основателей нашего научного центра, а другой доктор технических наук Неон Александрович Арманд (зам. ИРЭ РАН, где директором был В.А. Котельников). Доклады были опубликованы в одном номере УФН (3).

В результате обсуждения изложенных докладчиками результатов, стало очевидно, что обе технологии имеют право на жизнь, но технология, использующая короткие, наносекундные сигналы, позволяет (при прочих сопоставимых условиях) зондировать существенно глубже, чем технология, использующая квазимонохроматические сигналы.

«Человек-теорема», Владимир Александрович Котельников, оказался прав, сумев подняться над сиюминутными интересами и оценив перспективность идеи. Его принципиальная позиция сыграла важнейшую роль в обеспечении нынешних лидирующих позиций российских георадаров в глубоких геологических и геофизических исследованиях.

С учётом доступной элементной базы, особенности построения узлов сверхширокополосных, моноимпульсных радиолокаторов подповерхностного зондирования были, в значительной мере, исследованы к 1997 году. Были проведены успешные натурные испытания и обследован ряд важных объектов. Несмотря на очевидные, хотя и неблизкие перспективы, государственной поддержки академические исследования в этой области в необходимом объёме не получали. Внедрение академических разработок в практику традиционно осуществляла промышленность, которая к тому времени переживала не лучшие времена.

Для того чтобы не потерять наработанные заделы и специалистов, которые активно уходили в другие сферы деятельности, в 1997 году был основан научно-исследовательский центр ЗАО «Таймер» для развития наукоёмких технологий в новых, постсоветских условиях.

Процесс раздела интеллектуальной собственности занял несколько лет и был непростым, как бывает всегда, когда расходятся специалисты, долго работавшие вместе, над одним изделием.

На начальном этапе ЗАО «Таймер» размещал заказы на производство отдельных узлов георадаров и опытно-конструкторские работы на одном из предприятий Санкт-Петербурга, традиционно выполнявшем заказы ИЗМИРАН. В 2000 году ЗАО «Таймер» заключило с этим предприятием договор на выполнение опытно-конструкторских работ по модернизации и изготовлению георадаров, которые впоследствии получили названия ГРОТ-10 и ГРОТ-11. Техническое задание и эскизная документация на узлы комплекта предоставлялись Заказчиком - ЗАО «Таймер».

С 2003 года на этом же предприятии, по той же технологии, но для другого заказчика стали выпускать и георадар ЛОЗА, который был близок по характеристикам и внешнему виду к ГРОТ-10. Эти два модельных ряда с этого момента стали развиваться независимо и каждый специалист, принимавший участие в этих работах в ИЗМИРАН и предприятиях-смежниках мог сделать свой выбор в пользу той или иной организации. Начиная с 2003 года ЗАО «Таймер» производит георадары серии ГРОТ и математическое обеспечение к ним на собственном производстве.

Конкуренция требовала активного продвижения применения георадаров, изготавливаемых ЗАО "Таймер" под брэндом ГРОТ, в строительных инженерных и геологических исследованиях и работах. Успех обеспечивался постоянным совершенствованием конструкции и программного обеспечения. Некоторые особенности конструкций георадаров ГРОТ были изложены на первой Всероссийской научной конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике (СPCA 2003)" (4) и защищены патентом.

Использование в модификациях ГРОТ-10, ГРОТ-11 компараторов и временного стробирования позволяло прописывать волновую форму сигнала за счет накопления импульсов передатчика. При этом точность и разрешающая способность прибора зависели от количества зондирующих импульсов и их точной синхронизации, что и обусловило основные ограничения этого метода. Реализованная уже в ГРОТ-10 возможность регистрации сигнала в линейном масштабе требовала существенных затрат в производстве, в частности, один из конкурентов только сейчас, то есть более 10 лет спустя, заявляет о переходе на линейный масштаб регистрации волновых форм.

Наиболее показательные из ранних работ, выполненных с использованием приборов модельного ряда ГРОТ, изложены в вышедшей в 2005 году коллективной монографии "Вопросы подповерхностной радиолокации" в издательстве Радиотехника.(5, 7)

С тех пор значительным изменениям подверглось программное обеспечение, позволяющее как управлять радиолокатором, так и обрабатывать результаты экспериментальных исследований.(6)

Была создана новая программа обработки данных GrotData, специализированная под георадары ГРОТ. Программа позволяет учитывать локальные изменения параметров подстилающей поверхности, например, таких как влажность, и обеспечивать визуализацию в 3D.

С 2003 года ЗАО "Таймер" проводились совместные натурные испытания радиолокаторов подповерхностного зондирования и оптико-электронных приборов, позволяющих строить изображение земной поверхности в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и СВЧ диапазонах. Можно утверждать, что, по крайней мере, для некоторых сред и объектов (захоронений, археологических объектов, минных полей, загрязнений грунта нефтепродуктами), такие совместные исследования позволяют существенно повысить достоверность обнаружения и увеличить производительность при проведении работ методом подповерхностной радиолокации. Опыт эксплуатации приборов в полевых условиях в течение многих лет привёл к осознанию необходимости облегчения конструкции и переходу на новую элементную базу.

В 2005 году была, в основном, завершена работа по созданию базовой конструкции нового модельного ряда радиолокаторов подповерхностного зондирования ГРОТ 12. ГРОТ 12 был разработан после доводочных испытаний георадара ГРОТ-11 для его последующей замены и проведения изыскательских работ на больших глубинах. В ГРОТ 12 впервые использована регистрация и проведение обработки отраженного сигнала во всем диапазоне частот один(!) импульс. Это позволило снять искажения, свойственные георадарам предыдущего поколения, значительно снизить энергопотребление, увеличить время автономной работы георадара.

Кроме того, для обработки данных в ГРОТ 12 используются более эффективные математические методы, обеспечивающие более высокую точность получаемых результатов.

В отличие от ближайшего аналога, георадара ГРОТ-11, ГРОТ 12 управляется непосредственно компьютером, а обработка и интерпретация происходят в темпе приёма информации. ГРОТ 12 позволяет проводить георадиозондирование до глубин более 100 метров с разрешением по горизонтали и вертикали 0,1-0,5 метра, на тяжелых глинистых почвах до глубины не менее 12-25 метров, а в подходящих условиях высокоомных геологических пород до глубин превышающих 300-400 метров.

В 2011 году, на базе георадара ГРОТ 12 был выпущен инновационный георадар ГРОТ 12Е, работающий в более высоком диапазоне частот. ГРОТ 12Е имеет более высокую разрешающую способность и показывает не имеющие аналогов результаты при решении задач на небольших глубинах (не более 30 метров).

В 2016 году в связи с изменениями в законодательстве РФ ЗАО "Таймер" было преобразовано в ООО "Таймер".

Мы не останавливаемся на достигнутом и продолжаем помогать нашим клиентам в России и за рубежом в достижении самых амбициозных целей.

Литература:

  1. Balikhin M.A., Cattermole P.J., Gaidanskii V.I., Jenkins P.J., Kingsley S.P., Lachlan-Cope T.A., Natanson A.M., Quegan S., Reznikov A.E. and Wolliscroft L.J.C. A mobile lander-borne radar to investigate the subsurface of the planet Mars. COSPAR 27-th Planetary Meeting of the committee on Space Res. 18-29 July 1988, p. 34.
  2. Гарбацевич В.А., Копейкин В.В., Кюн С.Е., Щекотов А.Ю. Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, патент Российской Федерации № 2080622 от 27 мая 1997 г.
  3. Резников А.Е., Копейкин В.В., Морозов П.А., Щекотов А.Ю. (ИЗМИРАН, г. Троицк, Московская обл.) Разработка аппаратуры, методов обработки данных для электромагнитного подповерхностного зондирования и опыт их применения. 2000 г. УФН,Том 170, №5.
  4. Резников А.Е., Копейкин В.В., О Ен Ден, Большаков Е.Ю., Кюн С.Е., Волкомирская Л.Б., Щекотов А.Ю., Смирнов А.А. Сравнительные характеристики современных георадаров. - Сборник докладов Всероссийской научной конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике". Муром: 2003, с. 441-445.
  5. Волкомирская Л.Б., Варенков В.В., Лобзин В.В., Резников А.Е., Руденчик Е.А. Основные особенности конструкции георадаров "ГРОТ-10" и "ГРОТ-11", опыт их эксплуатации и обработки данных. Вопросы подповерхностной радиолокации. М. Радиотехника, 2005, 416 с.
  6. Варенков В.В., Волкомирская Л.Б., О Ен Ден, Руденчик Е.А. Алгоритм определения параметров среды по волновой форме сигнала, регистрируемого георадаром. - Сборник докладов Всероссийской научной конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике". Муром: 2003, с. 230-232.
  7. Волкомирская Л.Б., Варенков В.В., Лобзин В.В., Резников А.Е., Руденчик Е.А. Обнаружение и диагностика подземных коммуникаций с использованием георадара "ГРОТ-10". Вопросы подповерхностной радиолокации. М. Радиотехника, 2005, 416 с.