Разработка методов выявления потенциально опасных участков на автомобильных дорогах с использованием георадиотомографии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-22-20101

НазваниеРазработка методов выявления потенциально опасных участков на автомобильных дорогах с использованием георадиотомографии

Руководитель Шипилов Сергей Эдуардович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-403 - Радиофизика, статистическая радиофизика

Ключевые слова георадиотомография, фокусировка излучения, синтез апертуры

Код ГРНТИ29.35.00, 37.01.81, 47.14.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Согласно последним исследованиям менее половины дорог РФ соответствуют нормативным требованиям. По расчетам специалистов сроки эксплуатации дорог должны составлять минимум 12-15 лет; в действительности эта цифра составляет 3-5 лет, а для дорог, эксплуатируемых в северных территориях срок эксплуатации уменьшается до 1-2 лет. Причиной преждевременного износа автомобильных дорог являются ошибки при проектировании, нарушение технологий и некачественные материалы, используемые при строительстве и ремонте дорог, переувлажнение земляного полотна грунтовыми и поверхностными водами. При этом причины ошибок при проектировании - недостаток информации о толщине уже существующей дорожной одежды, а также недостоверные данные о геологическом разрезе земляного полотна и подстилающего основания. Для прогнозирования сроков ремонта и качественной реконструкции дорог необходимо иметь полное представление о структуре дорожной одежды, включая геологическое строение подстилающего грунта. Поэтому представляется крайне важным развивать технологии оперативной диагностики состояния дорожного полотна, способной за короткое время исследовать протяженные участки дороги. Ввиду сложного строения и разнородности материалов, используемых для дорожного покрытия, для качественной оценки дорожной одежды необходима разработка и применение радиоволновых методов зондирования сверхширокополосными (СШП) сигналами с возможностью реконструкции 3D томограммы дорожного полотна. Использование электромагнитных волн дает возможность с высокой контрастностью различать различные по структуре слои дорожной одежды, а также бесконтактным способом определять их характеристики в режиме реального времени с высоким разрешением и скоростью; в частности - производить оценку профиля и глубину слоев дорожного покрытия, размер фракций дорожной одежды. В качестве основного измерительного инструмента предлагается использовать широкозахватный георадар "Терразонд", обладающий множеством преимуществ по сравнению с обычными одноканальными георадарами. Во-первых, данный георадар представляет собой распределенную антенную решетку с высокоскоростной электронной коммутацией, позволяющую вести зондирование одновременно по 32 каналам с захватом 2.4 метра ширины дорожного покрытия. Во-вторых, радар укомплектован скоростным генератором СШП сигналов, обеспечивающий зондирование на скорости до 90 км/ч. Аналогов в России такому радару не существует. Ближайший зарубежный аналог георадара "Терразонд" это 3D-RADAR, который активно используется для тестирования дорожного плотна в северных странах Европы и Канады. Впервые для георадиолокации будет адаптирован алгоритм из глубинной сейсморазведки для определения толщин многослойной дорожной одежды. Задача будет решаться за счет нахождения обратной матрицы системы уравнений, связывающих коэффициенты отражения, полученные для метастатической и бистатической схемы зондирования, и параметры слоев: толщину и диэлектрическую проницаемость. За счет использования антенной решетки с большим числом приемных и передающих антенн будет получено одновременно множество ракурсов зондирования. Это позволит сделать система уравнений переопределенной, что позволит получать параметры оценки слоев с малой погрешностью даже в случае наличия шероховатостей границы слоев и локальных неоднородностей внутри конструкции дорожной одежды. Преимущества радиоволнового подхода с использованием широкозахватного георадара: 1. Измерение радиолокационного отклика от дорожного полотна как в поперечном так и продольном направлениях с шагом 7.5 см с в процессе перемещения радара автотранспортным средством. 2. Обработка соответствующих данных, и получение трехмерных амплитудных карт с привязкой к геолокации. 3. Алгоритм, позволяющий осуществлять процедуру реконструкции характеристик слоев дорожного полотна и открывает возможности для их более детального анализа.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шипилов С.Э., Цепляев И.С., Сатаров Р.Н., Романов Д.Б., Смокотин П.В. Application of the "TerraZond" Wide Coverage Ground Penetrating for Sounding the Roadbed IEEE (год публикации - 2022)

2. В.П. Беличенко, Ю.И. Буянов, Е.В. Балзовский, Г.А. Дымов, С.Э. Шипилов, И.С. Цепляев Плоская Ф-антенна Техника радиосвязи, №2(57) (год публикации - 2023)

3. Горст А.В., Мироньчев А.С., Цепляев И.С., Сатаров Р.Н., Шипилов С.Э. Development of a Metalens for Radio Wave Ground- Penetrating Radars Applied Sciences, 2023, 13(2), 911 (год публикации - 2023)
10.3390/app13020911

4. Беличенко В.П., Дымов Г.А., Цепляев И.С., Балзовский Е.В. PHYSICS OF MAGNETIC PHENOMENA RATIONAL APPROACH TO DESIGN OF ULTRA-WIDEBAND PRINTED ANTENNAS Russian Physics Journal, Vol. 66, No. 9 (год публикации - 2023)
10.1007/s11182-023-03035-7

5. Горст А.В., Цепляев И.С., Еремеев А.И., Сатаров Р.Н., Шипилов С.Э., Федянин И.С., Хмелев В.Л., Романов Д.Б., Еремин Р. Common mode clutter filtering for the problem of sounding multi-layer media using ground-penetrating radar Remote Sensing, 2023, 15, 2751 (год публикации - 2023)
10.3390/rs15112751

6. Димов М.А., Шипилов С.Э. Фокусировка излучения антенной решётки по заданным амплитудно-фазовым Международная научно-практическая конференция Актуальные проблемы радиофизики АПР-2023, X Международная научно-практическая конференция, г. Томск, 26-29 сентября 2023 г. Cборник трудов. – Томск: Издательский дом ТГУ, 2023. – 373 с. (год публикации - 2023)

Публикации