Автоматизированный анализ BSEF

Описание метода
Метод автоматизированного анализа поля обратного рассеяния BSEF (Back-Scattering Electromagnetic Field) основан на выделении и исследовании дифракционной компоненты георадиолокационного профиля с целью построения модели подповерхностной среды.

В результате анализа формируется набор точек анализа волнового поля на георадиолокационном профиле. Каждая точка характеризуется совокупностью атрибутов, включающей как непосредственно измеренные кинематические и динамические параметры отражённых волн в окрестности точки, так и величины, вычисленные на основе этих параметров. Каждый атрибут отражает определённое электрическое или физико-механическое свойство подповерхностной среды.

С помощью нейросетевого алгоритма производится преобразование массива точек анализа поля в модель подповерхностной среды (нейромодель), представленную в виде набора кластеров. Кластеры формируются по критерию пространственной близости точек анализа и сходства набора их атрибутов. Свойства среды в пределах каждого кластера характеризуются статистической однородностью.

На основе нейромодели формируется разрез атрибута, отображающий пространственное распределение его значений вдоль георадиолокационного профиля. Параметры создания разреза корректируются пользователем в зависимости от задачи георадиолокационного исследования.

Пример применения
На рисунке ниже показан пример георадиолокационного профиля, полученного георадаром с центральной частотой 200 МГц на морском пляже. Профилирование выполнялось в перпендикулярном береговой линии направлении, на некотором удалении от уреза воды.

Исследуемый грунт характеризуется высоким затуханием электромагнитных волн, обусловленным засоленностью прибрежных отложений. На профиле наблюдаются интенсивные горизонтальные помехи, которые маскируют полезные отражения. На следующем рисунке показан результат применения алгоритма подавления помех.

Визуальный анализ обработанного профиля не выявляет характерных осей синфазности, которые могли бы быть интерпретированы как отражения от границ слоёв. Данный факт свидетельствует о плавном характере изменения электрофизических характеристик грунта по глубине, не создающем условий для формирования отражающих границ.

В подобных случаях получение информации о строении подповерхностной среды представляется возможным только при использовании метода автоматизированного анализа поля обратного рассеяния BSEF. На рисунке ниже представлена нейромодель исследуемой среды в виде системы кластеров, построенная по результатам анализа BSEF.

Кластеры нейромодели визуализируются уникальными цветами, при этом степень сходства цветовых оттенков кластеров соответствует степени близости свойств среды в пределах этих кластеров. Завершающим этапом обработки рассматриваемого георадиолокационного профиля является построение разреза атрибута Resistivity (удельное электрическое сопротивление), основанного на нейромодели.

На рисунке ниже показан результат экспорта указанного разреза в графический формат для вставки в технический отчёт о георадиолокационном исследовании.

Разрез атрибута даёт наглядное представление о строении исследуемого грунта, отображая изменение мощности прибрежных отложений и распределение удельного электрического сопротивления в направлении от береговой линии. При построении разреза автоматически учитываются поправки, основанные на скоростной модели среды, создаваемой в процессе расчёта разреза.

Суммирование разрезов
Программный комплекс ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ располагает широким набором атрибутов для решения разнообразных задач георадиолокации. В случаях, когда разрез отдельного атрибута не даёт достаточного представления об исследуемом объекте, применяется операция суммирования разрезов различных атрибутов, созданных для одного георадиолокационного профиля. Данная процедура позволяет объединить разрозненные данные, распределённые между несколькими атрибутами, в единый суммарный разрез.

Дополнительным эффектом суммирования является устранение артефактов, обусловленных накоплением погрешностей на этапах сбора и обработки георадиолокационной информации. На рисунке ниже представлены результаты исследования погребённой долины с использованием георадара 100 МГц. Слева показан исходный георадиолокационный профиль, в центре — набор разрезов атрибутов, подготовленных для суммирования на основе автоматизированного анализа BSEF, справа — результат операции суммирования.

Визуальный анализ георадиолокационного профиля свидетельствует о малой информативности волновой картины на глубинах свыше 2 метров. Согласно априорным данным, подошва долины залегает ниже указанной отметки. На разрезах атрибутов наблюдаются отдельные элементы погребённого рельефа, однако ни один из разрезов в отдельности не характеризует в достаточной мере строение исследуемой толщи.

Операция суммирования обеспечила интеграцию разрозненных данных в целостную модель. На результирующем разрезе чётко прослеживается рельеф подошвы погребённой долины (обозначен пунктирной линией) по всей протяжённости профиля. Представленный пример демонстрирует эффективность модуля суммирования для преодоления ограниченной информативности георадиолокационного профиля и отдельных разрезов атрибута.

Преимущества метода
Использование метода автоматизированного анализа поля обратного рассеяния BSEF позволяют получить следующие преимущества по сравнению с традиционными методами обработки георадиолокационных данных:

Увеличение информативности исследований, так как разрез атрибута позволяет получать данные о строении подповерхностной среды даже при плавном изменении её электрофизических характеристик, когда традиционные методы интерпретации радарограмм не применимы;
Обеспечение комплексного анализа среды за счёт разнообразия атрибутов, где каждый параметр количественно характеризует определённое электрофизическое или физико-механическое свойство подповерхностной толщи, что формирует более полное представление о её строении и свойствах;
Повышение глубинности георадиолокационного исследования за счёт высокой избирательности алгоритма анализа BSEF и эффективного обнаружения полезных отражений в условиях сильной зашумлённости на больших глубинах;
Расширение возможностей для исследования сложнопостроенных сред, недоступных при использовании других методов обработки;
Существенное сокращение времени обработки полевых данных, что особенно значимо при больших объёмах работ;
Отсутствие стадии предварительной обработки сигналов профиля перед выполнением анализа BSEF, которая требует дополнительных временных затрат и квалификации;
Расширение областей применения георадиолокации и перечня решаемых задач;
Минимизация влияния субъективного человеческого фактора на процессы обработки и интерпретации данных.