Princip a historie od Lozy k ROTEGu

Georadar LOZA byl v 90. letech minulého století vyvinut na základě požadavku ruského kosmického výzkumu pro průzkum Marsu. Bylo potřeba vyhovět několika protichůdným technickým požadavkům. Georadar měl být lehký, výkonný, spolehlivý a s dosahem stovek metrů. Všechny georadary do té doby byly stavěny podle stejného principu s výkony 50-100 W. Zjednodušeně se takový georadar skládal ze čtyř bloků. Vysílač - přijímač - synchronizace a záznam dat - antény. Všechny tyto prvky byly podrobeny důkladné analýze. Zvětšení hloubky dosahu je evidentně možné zcela jednoduchým způsobem, a to zvýšením citlivosti přijímače nebo zvýšením výkonu vysílače. Georadar pracuje nejčastěji na frekvencích od 12 MHz do 500 MHz, to jsou ale frekvence, kde na Zemi pracuje spousta amatérských vysílačů, rozhlas i televize.


Přijímač LOZA

Zvyšovat citlivost přijímače a zvyšovat tak dosah je celkem jednoduché, to by mělo význam jen pro použití na Marsu. Zde na zemi citlivost kolem 10 uV zcela dostačuje, jinak bychom měli přijímač zahlcený místními vysílači. Střídavou složku rušení můžeme do určité míry snížit průměrováním několika desítek odražených vln (Stacking). Zvyšování citlivosti má tedy svůj limit a nejde zde libovolně zvyšovat hloubkový dosah.


Vysílač

V koncových výkonnových stupních georadarů jsou používány většinou MOS a LDMOS tranzistory. Dosavadní výrobní technologie ale neumožňuje dát těmto tranzistorům takové napájecí napětí, abychom dosáhli výkonu nad 100 W. V georadaru Loza je jako zdroj vln unikátní jiskřiště, na které jsou přímo napojeny antény. Princip je velmi jednoduchý, malý kondenzátor o hodnotě do 1nF se nabije na napětí asi 5kV a pak se vybije do jiskřiště, na které jsou napojeny antény, ty vyzáří tu frekvenci, na kterou jsou naladěny. Jiskřiště je ve vodíkové atmosféře a puls trvá kolem 3 ns. Energie impulsu je W=1/2.C.U2 , při nabíjecím napětí 5 kV to je při těchto hodnotách impuls kolem 1 MW (pokud by puls byl dlouhý 1 vteřinu). K georadaru jsou již dnes dodávány vysílače s napětím 20 kV a ještě silnější jsou ve vývoji (30 kV). Tyto silné zdroje elmag. vlnění jsou používány v armádách jako rušičky bezdrátových pojítek nepřítele. Nedávný přelet ruského letadla SU-24 americkému křižníku v Černém moři (5/2014) vyřadil na několik minut veškeré ochrané a řídící systémy.


Synchronizace a záznam dat LOZA

U drtivé většiny ve světě používaných georadarů je výsledek měření v podstatě stroboskopický záznam. Vysílač neustále vysílá nepřetržitou řadu pulsů a přijímač ty odražené přijímá pokaždé v jiném časovém okamžiku a z těchto přijatých impulsů se skládá celá odražená vlna, z jednotlivých vln je pak složen celý radarogram. Synchronizace pracující v oblasti desítek GHz s sebou nese řadu technických problémů ohledně mechanické i teplotní stability, přenos vlnovody apod.. Znáte to, jako když chcete stroboskopickou výbojkou zastavit točící se kolo, nikdy se to pořádně nepodaří, zastavený obraz se pomalu otáčí, vynechává...Tento princip časové synchronizace je u georadaru Loza zcela vypuštěn. Byl nahrazen mnohem jednodušším způsobem. Data se zaznamenávají podle několika zvolených úrovní v celém časovém rozpětí záznamu vlny. I tak je ale třeba na záznam jedné odražené vlny několik stovek impulzů z vysílače. Úrovní měření je 128. Záznam jedné vlny tak trvá u antén nad 100 MHz asi 1 vteřinu. Pro antény 25 MHz a při použití 20 kV vysílače je doba záznamu asi 6 vteřin, souvisí to také s frekvencí generování pulsů ve vysílači.


Antény

Běžně používané antény jsou různé dipóly, stíněné nebo nestíněné. Georadar Loza si může díky velkému energetickému potenciálu dovolit použít širokopásmové dipóly. Přijímač u Lozy N zpracuje frekvence 1-50 MHz a druhý typ Loza V frekvence 50-500 MHz.

 

Vývoj nového typu přijímače Roteg

V roce 2012 jsme zahájili v naší firmě práce na novém typu přijímače, naší snahou je zvýšit rychlost měření a zlepšit rozlišení i hloubkový dosah. Pípat po 10 cm každý bod na měřícím pásmu mě už opravdu nebaví.

Používáme velmi rychlý A/D převodník od TI. Bohužel na tyto převodníky je embargo a nedodává se k nim příslušný SW. Téměř 6 měsíců jsme pracovali na analýze příkazů pro řízení dat na dodaném pokusném boardu.

Ty se podařilo rozklíčovat koncem roku 2012 a nyní jsme schopni na jeden puls vysílače zaznamenat celou vlnu. Doba záznamu vlny může být teoreticky až 64000 ns (to je přibližně hloubka 3200 m). Časové rozlišení jsme oproti ruské verzi s 4 ns zlepšili na 0,6 ns, rozlišení měření amplitudy jsme zvýšili ze 128 hodnot na 4048.

Rychlost měření se zvýšila 100x, časové rozlišení 6x, amplitudové rozlišení 30x, maximální doba záznamu vlny 10.000 ns. Teoreticky jsme schopni měřit každých 5cm profilu při rychlosti antén po povrchu 8 km/hod.

Rok 2013 - pracujeme na analogové vstupní části přijímače, rozsah vstupních hodnot 120 dB si vyžádá elektronické řízení zesílení při šířce pásma 1 GHz. O vývoj projevil zájem i ruský výrobce.

Únor - je částečně hotov SW pro PC na sběr dat. Je hotova zkušební verze přijímače. Odstranili jsme nežádoucí limitace signálu pro povrchová měření, zlepšilo se výrazně rozlišení do hloubek 4 m při záznamu do stovek metrů.

Záznam vlny z Lozy a dole z nového přijímače (zatím jen 8bit), zobrazení oscoloskopem. Odstraněna limitace a časové nasrovnalosti v záznamu vlny.

 

Červenec - s novým přijímačem již zkušebně měříme. Vstupní signál zpracováváme v rozsahu 12 bit, zatím máme rychlost 100 měření za vteřinu při záznamu do 4000ns.

Výsledky daleko předčily naše očekávání. Radarogram je ostrý od prvních metrů hloubky i při frekvenci 25 MHz!  Používáme širokopásmové dipóly.

Příklad měření na vápenci s horní asi 2 m vrstvou jílů. Stejný profil měřený Lozou a novým přijímačem RTG. 25MHz, vysílač "Berta". Puls 20 kV. Vzdušná vlna na vstupu přijímače má 95 V.

Dole jsou ukázky radarogramů pro antény s centrální frekvencí 150 MHz.

V hloubce  2 m je již vápencová hornina.

 Pro registraci dat jsme vyvinuli nový program Spirio, umožňující sledovat naměřená data se základním procesingem již v terénu na přenosném počítači.

.

Komunikace zatím probíhá po USB, připravujeme bezdrátový přenos.

V příštích týdnech plánujeme měření s využitím maximálního hloubkového dosahu, jakmile dokončíme STACKING měřených hodnot.

Připravujeme i měření na známém geologickém profilu pro ověření naměřených hodnot s fakultou geofyziky ČSAV v Praze.

Srpen - měření proběhlo v Chebské pánvi. Hlíny a jíly jsou materiály s největším útlumem, pro georadar jedno z nejhorších prostředí z hlediska hloubkového dosahu. Na frekvenci 25 MHz jsme zaznamenali ve větší hloubce jen jednu kontrastní vrstvu. Nechá se na ní rozpoznat několik zlomů, které vznikají v důsledku poklesu celé pánve a to bylo také cílem měření. Oblast je seismicky jednou z nejaktivnějších v celé republice.

Listopad - vylepšený SW zvládá průměrování vln. To nám zvýšilo hloubkový dosah a radarogram se vyčistil po celé hloubce záznamu.

Žula, antény 100 MHz, struktura je patrná místy až do hloubky 100 m. Vpravo nahoře asi štola.

Prosinec - měření v Českém Středohoří, Chrámce, porcelanity, 25 MHz, nahoře hlíny a jíly, pod nimi snad vápence, v levé části asi zvětralá trhlina. Časový záznam do hloubky 500 m při rychlosti vlny 10 cm/ns.

Rok 2014

Leden - nový georadar po elektrické i SW stránce funguje. Teď se jen musíme někde přesvědčit, že opravdu měříme to, co je pod zemí je a hledáme nějaký dobře zmapovaný geologický profil, prozkoumaný jinou geofyzikální metodou a s vrty do hloubek kolem 500 m, snad to nebude problém.....nevíte někdo o nějakém?

Duben - tak takový profil asi u nás není nebo se nám ho nepodařilo najít. Česká geologická služba na mé nabídky měření neodpovídá. Věnujeme se tedy zdokonalení HW a ovládacího programu. Obsluhovat georadar teď může pouze jeden člověk. Umístili jsme PC přímo na přijímač, komunikace jde stále po USB, vzdálenost odměřuje kolečko.

   

Černá krabička na horní části je GPS s přesnostií asi 1 m. Souřadnice se vkládají do naměřených dat každou vteřinu. Dosažená rychlost měření 100 pulsů za vteřinu umožňuje tahat antény za autem. Při rychlosti 10 km/hod  můžeme měřit s krokem 15mm nebo můžeme nastavit krok 15cm a v něm průměrovat 10 naměřených pulsů. Takto je možné táhnout antény i kolmo k měřenému profilu. To bylo v původním uspořádání velmi obtížné, na obsluhu bylo potřeba 5 lidí, 4 přenášeli antény po několika cm po nataženém měřícím pásmu a pátý tisknul tlačítko. Toto uspořádání je vhodné na vyhledávání podzemních chodeb, velkých dutin, zlomů kolmých na směr měření apod.

Červen - přišly nové díly z USA: 3,5 GHz převodník a deska s procesorem. Je navržen osmivrstvý plošný spoj na propojení obou dílů. Základní naprogramování obvodů FPGA zadáváme odborníkům na univerzitu. Na sběr dat již nestačí USB, celý výpočetní výkon stěhujeme do chassi přijímače. Jeden 100 m dlouhý profil má asi 40 -100 MB dat dle nastavené dobu záznamu jedné vlny. Ovládání bude po WiFi a do monitoru se přenese jen část dat pro základní zobrazení podloží.

Srpen - rychlost měření jsme zvýšili na 800 pulsů za vteřinu, to je maximální rychlost vyslaných pulsů z vysílače. Jsme tedy schopni zachytit a zpracovat všechny impulsy vyslané vysílačem. Radarogramy jsou ostřejší, můžeme si dovolit více průměrovat (STACKING), jsou dobře patrné drobné odrazy blízko pod povrchem i struktury z větších hloubek. Při rychlé chůzi můžeme měřit po 2 cm a zprůměrovat v tomto kroku třeba 10 pulsů. Časový zázna zatím funguje do 10.000 ns.

Příklad: Měření na hlínách a štěrcích, 50 MHz, 3 m antény, Volyně.

Nahoře data zpracovaná programem Krot, dole stejná data zpacovaná v programu Reflex.

Program Krot pracuje s principy filtrace používané třeba na 3D tomografech, je založen na použití sin a cos filtrů, derivacích a logaritmování dat. Je tedy více zaměřen na zpracování samotného obrazu. Program Reflex je v nastaveních mnohem obsáhlejší. Vychází více z frekvenční analýzy a umožňuje např. jednotlivé frekvence filtrovat a zesilovat. Umožní zesílit i drobné odrazy při jemně navzorkované vlně. Spojení obou výsledků přináší novou kvalitu při vyhodnocování radarogramů.

Září - prosinec - prototyp přijímače pracuje na výbornou, podzemní chodby lezou z hloubek do 15 m jako houby po dešti. Pracujeme na novém vstupním anténním zesilovači s možností řízení zesílení v časech 100-1000 nanosekund. Naší snahou je zachytit nezkresleně první odrazy s amplitudou až 80 V a hned po nich zesílit vlnu z větší hloubky s úrovní pod 0,001V. Zatím jsme to řešili záznamen dvou souborů dat s různým zesílením. Pokud se podaří řídit zesílení v reálném čase, můžeme zvýšit na dvojnásobek vertikální rozlišení z 0,6 ns na 0,3 ns. To je při měření do hloubky vzorkování po 15 mm!

Je vyřešeno dálkové ovládání georadaru po WiFi se sběrem všech dat do monitorovacího PC.

 

 

 

Přes zimu 2014-15 byl čas na vylepšení antén. Podařilo se zkrátit na 1/4 délky antény vysílače, přitom se podařilo více než zdvojnásobit širokopásmovost a odstranili jsme na anténách přechodové jevy, které způsobovaly rozmazané přechody na rozhraních materiálů. Vzrostl asi 5x výkon, který jsme schopni vyzářit do země. To se pak odrazí na vyšší intenzitě odrazů a zvětšení hloubového dosahu.

Níže je radarogram s anténami 150 MHz. První 1m vrstva hlíny, pak žlutá spraš a na 3 m hloubky vápencové (slíny, opuka) skalní podloží až do 100m. Levý sloupec s originálními anténami od výrobce, vpravo nově vyvinuté. Zlepšení rozlišení v prvních metrech hloubky! Ostrá rozhraní a několikanásobně vyšší intenzita odražených signálů. Omezení vzdušných odrazů v levé části radarogramu. Měření záměrně začíná u velké kovové kostrukce.

Stejné úpravy lze provést i pro antény na ostatních frekvencích 20-500 MHz. Zkrácení vysílacích antén otvírá cestu k jejich snadnějšímu odstínění, aby méně vyzařovaly do okolí.

Duben 2015 - k naměřeným datům jsme připojili data z GPS, umístěné na přijímači georadaru. V programu Google Earth pak vidíme celou trajektorii a lze snadno zobrazit na mapě v radarogramech nalezené anomálie. Se čtyřkolkou lze najezdit za hodinu 5 -10 km profilů. Ideální pro archeologii, trasování inženýrských sítí i pro průzkum geologických struktur.

V dubnu proběhlo i testovací hloubkové měření v Moravském krasu s časem záznamu do 6000ns. Dobře čitelné odrazy jsme registrovali v hloubce až 230 m ((3800 ns). Antény 25 MHz, krok měření 20 cm, vertikální vzorkování 0,6 ns. Vlevo radarogram s řadou dutin, jedna veliká na hloubce 50 m. Vpravo úzká trhlina, zpracováno v kombinaci s programem Krot.

Duben 2016 - je postaven nový prototyp s přenosem dat po WiFi. Proměnná rychlost přenosu dat je kompenzována bufrováním v přijímači a následném odesláním dat při lepších podmínkách. Celé ovládání georadaru je bezdrátové, dosah WiFi asi do 100 m. Vzorkování vlny na 3,6 GHz zlepšilo verikální rozlišení na 0,27 ns. Podloží tedy měříme teoreticky po 12 mm do hloubky. Řízené zesílení vlny v reálném čase přineslo nezkreslenou vlnu od povrchu až do maximální hloubky. Připravujeme atesty a sériovou výrobu. 

Poslední měření v dubnu 2016 nám potvrdilo odrazy od známých dutin ve Slovinsku v Postojné z hloubky 200-230 m. Stupnice pro hloubku je vpravo. Radarogramy s takovými dosahy se na internetu nevyskytují kromě měření na ledovcích, tam jsou ale zcela jiné podmínky.

Červen 2016 - už rok nestíháme zakázky  pro měření georadarem, ale stále pracujeme na zrychlení celého systému měření. Zpracování dat v procesoru je příliš pomalé, přecházíme na nový systém. Plánujeme prodloužit dobu záznamu na 20.000 ns při současném naměření a zprůměrování všech pulzů, které vyšle vysílač. Vstupní převodník dělá 3.600.000.000 měření napětí  za vteřinu, to je těžko představitelná rychlost. Tyto data se musí uložit v reálném čase, matematicky zpracovat a zaslat po WiFi do tabletu, zobrazit, přidat data z GPS a data výškového profilu. Začíná se projevovat pomalá rychlost šíření elektřiny ve vodičích, potřebovali bychom ji zvýšit, ale nejde to. Pomáhá jen kalibrace přenosu dat mezi jednotlivými prvky. Jsme na mezi fyzikálních možností daných součástek. Pro zlepšení bychom museli vyřadit desku propojující jednotlivé komponenty a vše postavit na jednom plošném spoji. Pro frekvence 3,6 GHz je to ale trochu alchymie a při cenách součástek přes 100.000,- se mi do toho moc nechce.

Listopad 2016 - měřením u Hranické propasti jsme s poslední verzí dosáhli rekordní hloubky 500 m. To patrně nemá ve světě obdoby pro frekvenci antén 25 MHz.

Leden 2017 - blíží se dokončení nového SW, zbývá odstranit několik chybiček. Zadali jsme výrobu nových chassi s lepším chlazením přijímače, jsou dokončeny vodotěsné vyměnitelné akumulátory. Připravujeme prodejní stránky v anglické verzi. Přijímač dostává typové označení ROTEG.

Březen 2017 - nová mechanika přijímače s GPS a WiFi, vyměnitelné akumulátory.

Duben 2017 - pokoušíme větší hloubkový dosah s anténami 25 MHZ. Měříme v lomu Malá dohoda, přímo na vápencové skále. Nastavený rozsah do 15.900 ns jsem opět podcenil. Máme čitelné rozhraní vrstev v hloubkách přes 900 m! Prezentuji výsledky měření na mezinárodním sympoziu o georadarech. Po skončení přednášky nikdo neměl jediný dotaz, jsem tam za blázna, padly i náznaky, že jsem si to vše dokreslil v nějakém programu. Pouze jediný geofyzik pak projevil zájem, když to tak pěkně funguje, tak to pojďme s odbornými institucemi ověřit. Dobrý nápad!

Červen 2017 - odmítají nám uveřejnit články v odborných časopisech o geofyzice. "Georadary přeci fungují tak maximálně do 30 m, tak co nám to tady vyprávíte, nějakých 500 m nebo snad 900 m,  jste se asi zbláznili!" No, Pastéra také vyloučili z univerzity, když tvrdil, že se bakterie šíří vzduchem, taková blbost, vždyť nemají křídla...

Červenec 2017 - mapujeme ve Slovinsku celý týden z povrchu průběhy jeskyní v hloubce 150-200 m anténami na frekvenci 25 MHz. Objevujeme nové dutiny a nacházíme propojení jeskyň v místech, kam jiné georadary nedosáhly. Jeskyňáři potvrzují naše výsledky na známých prostorách a my jim ukazujeme, jak dutiny pokračují za závaly a za sifony.

Říjen 2017 - je hotové bufrování dat GPS při výpadku spojení WiFi. Můžeme volit vzorkovací frekvenci 1:7. To umožňuje podrobné měření v archeologii a při měření do velkých hloubek se sníží objem přenesených dat, čas záznamu teď může být do 500.000 ns. To je teoreticky do 25 km. Možné využití je pouze při měření na ledovcích nebo bychom museli používat blesky jako zdroj pulzů pro měření do největších hloubek.

V principu je tedy vývoj georadaru po 5 letech ukončen, ladit se budou jen drobnosti a vylepšovat můžeme ovládací program, přesnost GPS a pod..

Listopad 2017- dosud se nám nepodařilo prosadit v odborných časopisech ani jediný článek o tomto vyjímečném georadaru. Agentura TAČR pro podporu vývoje a výzkumu nemá pro následující rok 2018 vypsaný program, který by mi umožnil ověřit mimořádný hloubkový dosah georadaru. Nejsem totiž "výzkumný ústav", tak mám smůlu. Bez nějaké ověřené certifikace se georadar bude těžko prodávat. Vývoj stál několik miliónů a není o něj moc zájem. Splnil jsem si ale sen - jedu dnes autem po poli, táhnu za koulí antény,  na palubní desce mám barevný monitor a koukám se do hloubky 200 m, co všechno tam v té zemi je...úžasné!

Únor 2018 - je sestaveno několik přístrojů a začínají se projevovat potíže s kompaktibilitou jednotlivých nakupovaných dílů. Ne vždy to funguje spolu, i když jednotlivé díly jsou v pořádku.  Každé 20. měření se zasekne, příčinou je velmi pomalá rychlost elektřiny ve vodičích. Musíme navrhnou všechny datové vodiče stejně dlouhé a zlepšit musíme impedanční přizpůsobení datových linek, jsme na hranici fyzikálních možností, měříme a zaznamenáváme 3,6 miliardy dat za vteřinu. Musím tedy udělat to, do čeho se mi moc nechce. Navrhnout jeden plošný spoj pro všechny rychlé komponenty, t.j. převodník, procesor a paměti.

Duben 2019 - povedlo se, máme první dva funkční prototypy, vše je na 10 vrstvém plošném spoji.  Absolvujeme s nimi asi 50 měření včetně hloubkových ve Slovinsku, tam si nás mezitím oblíbili, takže měříme jeskyně i průběhy vrstev v tamních lomech do stovek metrů. Vše funguje bez chyb. Opravili jsme několik drobností ve schematu a v září zadáváme výrobu konečné verze.

Březen 2020 - na konci minulého roku jsme vyrobili 5 ks přijímačů ROTEG, snad už poslední verze. Vše funguje jak má. Přístroje se po zapnutí sami kalibrují. Hardverová část je bez chyb. Doladil se vstupní anténní díl, zlepšilo se několik parametrů jen pomocí lepšího odladění programu. Např. můžeme průměrovat až 500 hodnot měření, více již nemá smysl. Přehlednější je i ovládací program Spirio pro sběr dat, doplnili jsme obrázkové ikony a zvětšili texty. Píší se návody, doporučené postupy měření a pod.. Spirio už běží v češtině, angličtině a ruštině, další jazyky se nechají jednoduše přidat. Po tři roky také již probíhá vývoj vlastních vysílačů, jsou téměř hotové. Připravujeme vše na atestaci v certifikovaném zkušebním ústavu. V minulém roce jsme měřili na hradech, zámcích, klášterech, kostelích, hradištích, hledali jsme zasypané studny, sklepy, štoly, skalní podloží, jeskyně... s nedostatkem vody v ČR se rozvíjí spolupráce s několika hydrogeology a s úspěchem se nám daří vyhledávat zdroje vody pro obce do hloubek až 100 m.