1. Георадарні дослідження:

На відміну від традиційних методів був запропонований опромінюючий сигнал зі ступеневою зміною його базової частоти, що забезпечує потрібну розв’язку за глибиною та дозволяє розробити математичні методи відновлення фізичних характеристик структури ґрунту та окремих об’єктів, як штучного, так і природного походження безпосередньо за даними опромінення.
Як підсумок, отримані наступні результати:

1. Розроблено принципово новий радіо голографічний метод обробки сигналів, що використовує їх фазову структуру. Це дозволяє відновити частотні залежності фазової швидкості розповсюдження радіохвиль у породах ґрунту, їх затухання та вийти на оцінку фізичних властивостей під поверхневої структури ґрунту, зокрема, оцінювати розподіл об’ємної вологи, і окремих об’єктів [9,10].
2. Створені експериментальні макети ґрунтових радарів на різні діапазони частот, включно з глибинним для зондування на глибину до сотень метрів з новою струменевою антеною відносно невеликих розмірів [1, 8, 12].
3. Створені нові щілинні магнітні антени з кращим захистом від завад, що забезпечують можливість поляризаційної селекції для ідентифікації об’єктів, як штучного, так і природного походження [6].
4. Розроблено комплексний метод інтерпретації результатів, який базується на радіофізичних та гідрогеологічних моделях структури ґрунтів, що дозволяє суттєво поліпшити результати інтерпретації даних зондування [7].

Розробка методів зондування здійснюється для трьох рівнів глибин.

• Перший рівень глибин до 20 – 40 м.

Стан розробки: виконана НДР, є прототипи, виконано більше 30 проектів у інженерній геології.

Основний результат: оцінювання розподілу об’ємної вологи зони аерації в залежності від глибини за фазовою структурою сигналів

Фрагмент зображення фазової структури сигналів вздовж руху георадара

Расподіл об᾽ємної вологості у вибраному перетині грунту 3 – відсотковий вміст фракції піску 30%; 3’ – відсотковий вміст фракції піску 40%

Застосування в інженерній геології.

1. Виявлення:

• зон витікання з комунальних споруд («верховодки», подтоплення, старі коллектори, трубопроводи);
• пустот, печер, тунелів;;
• зон витікання нафтопродуктів (лінз);
• археологічних артефактів (танки часів 2-ї світової війни, бункери, захоронення).

2. Оцінка розподілу об’ємної вологи ґрунту за глибиною (дамби, греблі – степінь обводнення).
3. Картографування:

• зон оползнів (межі, стійкість);
• потужність дюн піску для корекції даних сейсмічної розвідки.

4. Виявлення та ідентифікація предметів під поверхнею (наприклад, мін).

• Другий рівень глибин до 3 – 5 м.

Стан розробки: закінчена НДР, є прототип, виконано проект зондування схилів греблі Дубосарської ГЕС (Молдавія). Розроблено метод з виявлення та ідентифікація протипіхотних мін.

Схили греблі Дубосарської ГЕС

Зображення фазової структури сигналів за глибиною вздовж схилів греблі Дубосарської ГЕС

• Найбільший рівень глибин від сотень метрів до 1 – 3 км.

Знаходиться на завершальному етапі НДР, є окремі вузли прототипу.
При успішному завершенні НДР з’явиться можливість прямої розвідки без буріння глибинних шарів залягання води, нафти та газу.

Струменева антена з процесорним блоком управління

Приклади проектів у інженерній геології

1. Визначення стану ґрунту греблі ставка – накопичувача шахтних вод у містах Кривий Ріг та Павлоград.
2. Картографування рівня ґрунтових вод під територією автозаводу у місті Тольятті (РФ).
3. Картографування структурних особливостей на території Генуєзської фортеці (національний заповідник «Софія-Київска», м. Судак) та в районі м. Алушта.
4. Дослідження схилів греблі Дубоссарської ГЕС, Молдавія, 2010р. (госпдоговірна тема).
5. Пошукова НДР «Розробка методу виявлення та ідентифікації протипіхотних мін».
6. Визначення причин деформування Кирилівської церкви та картографування рівня ґрунтових вод на території національного заповідника «Софія-Київска» (м. Київ).

2. Особливості поширення см та мм радіохвиль над поверхнею моря при малих кутах ковзання та їх вплив на роботу радіосистем

Розроблено метод визначення поля над поверхнею розподілу середовищ з високими нерівностями, що опромінюється під малими кутами. Для випадку поверхні моря з вітровим хвилюванням визначені межі, де можна застосовувати таке наближення і чисельним методом розраховані основні характеристики поля. Зазначено, що тут можна виділити дві зони: перша – зона малих висот, де враховується багаторазова дифракція, і друга – перехідна – де це можна не враховувати. Вище перехідної зони починається область, де діє наближення Кірхгофа. Числовими методами було показано, що пропонований метод дозволяє описати екстремальні особливості поля НВЧ аж до нульових висот кореспондуючих пунктів, що не дозволяли робити попередні наближення, а при зростанні кута ковзання відбувається плавний перехід отриманих результатів у відомі.

Зміна кутів місця цілі поблизу поверхні моря.

Методами комп’ютерного моделювання досліджені точність визначення координат і стійкість супроводження за кутом місця над поверхнею моря. Використовувались дві методики досліджень.

При першій дані про вплив поверхні отримували з використанням раніше розробленої авторами моделі багатопроменевого поширення і математичної моделі обробки даних у пеленгаційному пристрої. Такий підхід дозволив у широких межах змінювати умови роботи системи.

Для другої методики первинними були експериментальні дані, спосіб отримання і реєстрації яких дозволив при математичній обробці імітувати дію кількох спеціальних методів пеленгування в умовах багатопроменевого поширення і порівнювати точність останніх.

Приведений аналіз результатів, отриманих за цими методиками, дозволяє розробникам систем обґрунтувати вибір тих чи інших методів пеленгування, з урахуванням очікуваної точності та складності практичної реалізації. Зокрема, показано, що одним з найбільш універсальних, стійких у різноманітних умовах і таким, що дає задовільні результати вимірювання кута місця при впливі багатопроменевого поширення см і мм радіохвиль є, так званий, поза осьовий метод.

Досліджені можливості підвищення точності виміру кутів місця мало висотних об’єктів з використанням спектрального метода root-MUSIC при наявності завад від поверхні схвильованого моря. Воно охоплювало різні умови відбиття радіохвиль поверхнею моря, в тому числі умови сильного дифузного відбиття та переважно дзеркального. Діапазон кутів місця складав від 0,2 до 0,5 ширини діаграми спрямованості антени кутового вимірювача, де з використанням традиційних методів неможливо забезпечити потрібну точність вимірювання. Дослідження проводилось шляхом комп’ютерного моделювання з використанням розробленої у відділі та апробованої у попередніх роботах моделі поля сигналів над поверхнею схвильованого моря. Вивчено вплив на точність вимірювання таких апріорних параметрів методу, як розмірність підпростору сигналів, розмірність кореляційної матриці та кількість просторових вибірок сигналів, що приймаються.

3. Теоретичне та експериментальне дослідження розсіювання НВЧ радіохвиль ґрунтом

Був зроблений новий крок до розв’язання проблеми взаємозв’язку характеристик розсіяного сигналу з такими параметрами ґрунту, як нерівність поверхні та вологість верхнього шару.

Показано, що основний механізм оберненого розсіювання сухим ґрунтом визначається сумісною дією поверхневого та об’ємного розсіювання верхнім шаром, товщиною порядку одиниць сантиметрів. Вклад об’ємного розсіювання у формування сумарного розсіяного сигналу стає суттєвим уже в короткохвильовій частині см діапазону і значним у мм діапазоні. Для вологого ґрунту в сумарному сигналі превалює поверхневе розсіювання нерівною границею розподілу.

Отримані основні співвідношення, які пов’язують поляризаційні коефіцієнти розсіяних сигналів з нерівністю поверхні и вмісту вологи у ґрунті. Показано, що кросові складові при вертикальній і горизонтальній поляризаціях опромінювання ґрунту відмінні між собою. При цьому деполяризація виявляється більш високою при вертикальній поляризації опромінювання.

На даний момент дослідження у цьому напрямі припинені.

4. Розробка радіолокаційного сенсора для контролю руху повітряних суден під час перебування їх на території аеропортів

Сенсор працює у мм діапазоні з когерентним режимом обробки сигналів, дозволило відмовитись у якості джерела зондуючи сигналів магнетрону з імпульсною потужністю в одиниці кіловат і забезпечити необхідну дальність дії при потужності всього 20 ват з допомогою повністю напівпровідникового пристрою. Когерентна обробка дозволила виконати також одну з основних вимог до систем контролю руху в аеропортах – автоматичну селекцію рухомих об’єктів та їх класифікацію за доплеровим зміщенням частоти відбитих ними сигналів.

Оригінальною є також антена розробленого відділом сенсора. Керівником цих робіт є доктор технічних наук Разсказовський В.Б. Работа виконана разом з підприємством ОАО “Сатурн”, м. Київ.

Таблиця 1 – Основні технічні характеристики

Базова частота	36 ГГц
Імпульсна потужність	20 Вт
Частота повторення	20 КГц
Середня потужність випромінення	менше 0.1 Вт
Розв’язка: – За азимутом – За дальністю	0.25° 15 м
Дальність виявлення цілі з ЕПР 1 м2 : – Без опадів – У дощі 16 мм/год	Не менше 5 км Не менше 3 км

Наочне уявлення про можливості радіолокаційного спостереження за злетом, приземленням та маневруванням літака АН-140 на літовищі дають світлини з дисплею, наведені нижче.

Виконані теми та госпдоговори.

З 2005 року були виконані НДР «Сакура» (2007-2011) и «Терразонд» (2012-2014) та один госпдоговір «Дністр», з 2004 по 2006 рік був виконаний інноваційний проект «Створення спеціалізованого скануючого георадара для виявлення на глибинах до 30 метрів забруднених шарів ґрунту, пустот та інших утворень», затвердженого Бюро Президії НАН України від 24.06.2004р. № 176. Протягом цього часу були виконані ряд конкретних народногосподарських проектів в області інженерної геології, гідрогеології та екології.

У 2007 році була захищена докторська дисертація.

Бібліографія (мовою оригіналу)

1. «Сканирующий георадар” для обнаружения в грунте на глубинах до 20…30 м слоев, загрязненных, в частности, нефтепродуктами, пустот и других образований естественного или антропогенного происхождения. Отчет об инновационном проекте (Шифр “Геосфера”). Рук. Сугак В.Г. № Гос. Регистрации 01.04U008289, ИРЭ НАН Украины, Харьков, 2005. –82 c.
2. Кузьмін В.В., Сугак В.Г. Патент на винахід “Спосіб геоелектророзвідки”. № 99010298 від 20.01.1999.
3. Куранов Н.П., Кузьмин В.В., Сугак В.Г. Восстановление электрических характеристик слоев грунта и глубины залегания их границ по результатам радиолокационного подповерхностного зондирования.// Проблемы нженерной Геоэкологии, Сборник трудов, выпуск 4. – Москва.- Изд-во “ДАР/ВОДГЕО”, 2002.- C.50-60.
4. Сугак В.Г. Восстановление электрических характеристик грунта и глубины залегания объектов по результатам подповерхностного зондирования.// Радиофизика и электроника: Сб. трудов ИРЭ НАН Украины. Харьков, 2002, Т. 7, №3, С. 491-497.
5. Овчинкин О.А., Сугак В.Г. Влияние электрических свойств грунта на характеристики сигнала при подповерхностном зондировании.// Радиофизика и Электроника. Сб. научн. тр./ НАН Украины.- Харьков.- 2001.- 6, – № 2-3.- C. 235-241.
6. Сугак В.Г. Электрические характеристики грунтов, пропитанных нефтепродуктом.// Украинский метрологический журнал”, 1998.- С. 49-52.
7. Сугак В.Г, Сугак А.В, Кожан Е.А. Георадарное зондирование подповерхностной структуры грунта национального заповедника «София-Киевская» на территории Кирилловской церкви // Геофизический журнал, – Киев, 2010.- т.3, №. 3. – С.43 – 49.
8. Сугак В. Г., Букин А. В., Васильева Е.Н., Овчинкин О. А., Силаев Ю. С., Тарнавский Е.Ф., Педенко Ю.А., Бормотов В. Н., Сугак А. В. Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью Земли // Радиофизика и электроника. – 2010. – т.1(15), №3.- С. 92 – 97.
9. Sugak V.G., Sugak A.V. Phase Spectrum of Signals in Ground Penetrating Radar Applications // IEEE Trans. On Geoscience & Remote Sensing. April 2010.- v.48. – P.1760-1767.
10. Сугак В.Г., Овчинкин О.А., Силаев Ю.С., Сугак А.В. Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоёв грунта с оценкой их объемной влажности // Геофизический журнал.- 2014, т.36, №5.-С.118-127.
11. Сугак В.Г., Бормотов В.Н., Пархоменко В.А. Исследование анизотропии диэлектрической проницаемости пород грунта под давлением // Геофизический журнал.- 2014, т.36, №5.-С.118-127.
12. Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии / Букин А., Овчинкин О., Педенко Ю. и др.// Наука та інновації / науково-практичний журнал НАН України.- Київ: Видавничий дім “Академперіодика”.- 2005. – Т.1, №2. – С. 32 – 43.
13. Кулемин Г.П., Разсказовский В.Б. Рассеяние миллиметровых радиоволн поверхностью Земли под малыми углами. – Киев: Наукова думка, 1987. – 230 с.
14. Логвинов Ю.Ф., Педенко Ю.А., Разсказовский В.Б. Дифракционная модель многолучевого распространения над неровной поверхностью при малых углах скольжения // Изв. вузов. Радиофизика – 1996. 39, №5. – С. 547-558.
15. ЛогвиновЮ.Ф . Влияние затенений на статистические характеристики зеркальных элементов при многолучевом распространении над морем .// Радиотехника и электроника.-1997, – 2, № 1. – С. 64-68
16. Разсказовский В.Б. Дифракция на полуплоскости с неровным краем в задаче распространения радиоволн над поверхностью при малых углах скольжения //Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1997, Т.40, №8, С. 965-979.
17. Разсказовский В.Б., Педенко Ю.А. Cравнение методов пеленгования по углу места над морем // Радиофизика и электроника: Сб.науч.тр./ НАН Украины, Ин-т радиофизики и электроники им.А.Я.Усикова. – Харьков, 2004.-т.9, №1. – С.216–227.
18. Разсказовский В.Б., Педенко Ю.А. Модель поля миллиметровых и сантиметровых волн над морем для исследования методов измерения углов места низколетящих целей // Радиофизика и электроника: Сб.науч.тр./ НАН Украины, Ин-т радиофизики и электроники им.А.Я.Усикова. – Харьков, 2003.-т.8, №1. – стр.22–33.
19. Разсказовский В. Б. Эвристическая модель поля миллиметровых и сантиметровых радиоволн над взволнованной морской поверхностью при сильных затенениях / В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов // Радиофизика и электроника. ИРЭ им. А. Я. Усикова НАН Украины. Харьков. – 2010. – Т. 1(15), № 4. С. 23-31.
20. Разсказовский В. Б. Распространение сантиметровых и миллиметровых радиоволн под малыми углами скольжения: модель многократной дифракции на экранах / В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов // Изв. ВУЗов, Радиофизика. – 2008. – Т. 51, № 8. С. 700-710.
21. Разсказовский В. Б. Множитель ослабления радиоволн при распространении над морем под малыми углами скольжения: переходная зона / В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов // Радиофизика и электроника. ИРЭ им. А. Я. Усикова НАН Украины. Харьков. – 2007. – Т. 12, № 1. С. 177-184.