АНТЕННА ДЛЯ ГЕОРАДАРА Российский патент 1998 года по МПК H01Q19/13 

Изобретение относится к антенным устройствам и предназначено для использования в геофизике и геологии при изучении радиозондированием подповерхностных слоев земли.

В последние годы все более широкое применение находит исследование подповерхностных слоев земли зондированием короткими электромагнитными импульсами с центральной частотой спектра 10 МГц - 1 ГГц. Высокочастотные георадары (300 МГц - 1 ГГц) обеспечивают высокое пространственное разрешение, но вследствие быстрого возрастания затухания сигнала с частотой имеют малую (единицы - первые десятки метров) глубину зондирования. Для достижения больших глубин зондирования (десятки - первые сотни метров) необходимо использовать низкие частоты от 10 Мгц до 200 МГц, причем чем ниже частота, тем более глубокие слои досягаемы для обследования. В низкочастотных георадарах обычно в качестве антенн используются резистивно-нагруженные дипольные вибраторы [1]. Так как длина электромагнитной волны на частоте 10 МГц равняется 30 м, длина дипольных антенн составляет 15 м. Большие размеры антенн приводят к многим эксплуатационным неудобствам. Одним из главных недостатков таких антенн, особенно при работе вблизи источников техногенных помех, является их слабая помехозащищенность. Для высокочастотных георадаров экранировка от помех антенн, вследствие малости их размеров, не представляет сложную проблему. В то же время помещение в экранирующий кожух громоздких антенн низкочастотных георадаров довольно затруднительно, поэтому необходимо тем или иным способом уменьшить размеры антенн. Простое уменьшение размеров антенны неприемлемо из-за резкого (как 4-я степень от длины вибратора) снижения эффективности антенны [2, 2.VII., с. 150].

Из уравнений электродинамики следует, что в среде с диэлектрической проницаемостью ε длина волны уменьшается в n = √ε раз, где n - показатель преломления среды. Это обстоятельство используется в решении по патенту [3] для уменьшения размеров и увеличения эффективности и направленности антенны корабельной станции орудийной наводки. Диэлектрическая стержневая антенна изготовлена из материалов с высокой проницаемостью ( ε = 16 - 232 на оси стержня и ε = 14 - 169 во внешнем слое) и способна работать вплоть до частоты 300 МГц.

Специально для целей подповерхностного радиозондирования земли в патенте [4] предлагается дипольная резистивно-нагруженная антенна на частоту 10 МГц, которая принята за прототип. Плечи вибратора заключены в двойной коаксиальный цилиндр из диэлектрика. Промежуток между внутренним, служащим электрической изоляцией вибратора, и внешним цилиндром заполнен солевым раствором. В георадарах используются короткие импульсы, и при ударном возбуждении в антенне возникают крайне нежелательные колебания от переотражений излучения, так называемый звон антенны. Обычно для подавления звона, связанного с отражением волн от концов вибратора, в каждое плечо симметрично встраиваются распределенные по определенному закону резисторы [1]. В данном случае такой резистивной нагрузкой служит солевой раствор, окружающий вибратор. Вместе с тем заполнение солевым раствором приводит к уменьшению примерно втрое с 15 до 5 м физической длины антенны. Полученный коэффициент укорочения втрое меньше теоретически ожидаемого ( ε ≈ 80 у солевого раствора), и такое несоответствие можно объяснить тем, что солевой раствор заполняет лишь небольшой объем, прилегающий к вибратору.

Решаемой технической задачей является создание эффективной, компактной антенны для георадаров, экранированной от помех, избирательной к поляризации излучения и с относительно узкой диаграммой направленности.

Это достигается тем, что излучатель антенны, выполненный в виде резистивно-нагруженного дипольного вибратора, помещен в фокусе отражателя, представляющего собой параболоид (вращения или цилиндрический) из проводящего материала. Для решения проблемы уменьшения габаритов антенны внутреннюю полость параболоида следует заполнить материалом с как можно большей диэлектрической проницаемостью ε . Но в то же время для уменьшения звона антенны необходимо выбирать заполнитель с диэлектрической проницаемостью, близкой к проницаемости грунта.

Согласно предлагаемому решению в качестве заполнителя внутренней полости отражателя антенны можно использовать жидкости (вода ε = 80, метанол ε = 34, этанол ε = 25), твердые диэлектрики (двуокись титана ε = 100), сегнетоэлектрики ( ε = 1000 - 10000), а также смеси различных диэлектриков. Существует эмпирическая формула для определения проницаемости смеси двух диэлектриков [5, 6.12, с.400]

где
ε_c - проницаемость смеси;
ε₁ и ε₂ - проницаемости первой и второй среды;
p - часть объема, занятая первой средой;
u - число, зависящее от формы и ориентации частиц этой среды.

Если частицы с ε₁ , распределенные в среде с ε₂ , имеют сферическую форму, то u=2. Если первая среда состоит из вытянутых, ориентированных вдоль направления электрического поля частиц, то в зависимости от степени вытянутости число u меняется в пределах 2<u< ∞ . В случае u _→ ∞ (точнее, u>> ε₁ ) формула (1) приобретает вид
ε_c= pε₁+(1-p)ε₂ (2)
Если электрическое поле направлено перпендикулярно направлению вытянутости частиц, то 0<u<2, и при u ---> 0 выражение (2) можно записать в виде
1/ε_c= p1/ε₁+(1-p)1/ε₂ (3)
Отметим, что формулы (2) и (3) соответствуют хорошо известным формулам для параллельного и последовательного соединений емкостей. Таким образом, диэлектрик из ориентированных вытянутых частиц является существенно анизотропным, и при заполнении внутренней полости отражателя такой смесью избирательность к поляризации излучения антенны увеличивается. Излучение дипольного вибратора в той или иной степени (в зависимости от формы вибратора) частично поляризовано так, что электрический вектор преимущественно направлен параллельно плечам вибратора. Поэтому и ориентация вытянутых частиц диэлектрика также должна быть параллельна плечам вибратора. Для излучения с ортогональной поляризацией антенна малоэффективна, так как проницаемость заполнителя в этом направлении минимальна ( ε = 1).

Справедливость формул (2) и (3) проверялась на образцах из полиэтиленовых капсул с водой, вмонтированных в пенистый материал. В согласии с формулой (2) при p = 0,2 и p = 0,32 и степени вытянутости l/d = 10, где l - длина, а d - диаметр объема воды в капсуле, диэлектрическая проницаемость в направлении вытянутости составляла соответственно = 16 и ε// = 25, в то время как поперек направления вытянутости ε₁ = 1 в соответствии с формулой (3). Для исключения зависимости проницаемости от частоты размеры капсул выбирались из условия малости их по сравнению с длиной волны излучения. Недостатком заполнителя с водяными капсулами является его большой вес. В этом плане большие преимущества сулит использование в качестве заполнителя внутренней полости отражателя антенны частиц сегнетоэлектриков, размещенных в пористом материале. Как следует из формул (1-3), для получения больших значений диэлектрической проницаемости смеси форма частиц сегнетоэлектрика должна быть такова, чтобы выполнялось условие u>> ε₁, чего не так просто добиться из-за очень больших значений ε₁ . Если соблюдено выполнение условия u>> ε₁ , то проницаемость смеси можно рассчитать по формуле (2).

Эксперименты, проведенные на конденсаторной сегнетокерамике Т-1000 ( ε = 1300 - 1500, интервал рабочих температур (-40) - (85)^oC, изменение проницаемости в диапазоне рабочих температур ±10%) показали, что формула (2) справедлива, если степень вытянутости частиц сегнетокерамики l/d>50. Использование таких сегнетокерамических иголок по сравнению с водяными капсулами при равных значениях ε дает выигрыш в весе 2,5 - 10 раз в зависимости от плотности применяемой сегнетокерамики (плотность различных марок сегнетокерамики лежит в пределах 3,5 - 7 г/см²). Анизотропная смесь может быть изготовлена, например, следующим образом.

На тонких листах пенистого материала выдавливаются параллельно ориентированные гнезда для сегнетокерамических иголок, гнезда заполняются иголками, затем набирается заполнитель в виде пакета листов, склеенных с помощью пенистого герметика.

Из теории антенн известно [2], что, чем больше раскрыв (поверхность, ограниченная кромкой параболоида) антенны, тем уже диаграмма направленности. По соображениям удобства в эксплуатации желательно, чтобы размеры антенны не превышали ≈ 1,5 м. На высоких частотах размер излучателя значительно меньше этой величины (≈ 8 см на частоте 200 МГц при заполнении материалом с ε = 81), и в качестве отражателя можно выбрать параболоид вращения. Для низких частот размер излучателя по одной координате становится сравнимой с размером отражателя (0,8 м на частоте 20 МГц при ε = 81), поэтому отражатель выполняется в виде цилиндрического параболоида. При этом в целях экранировки от помех открытые торцы цилиндрического параболоида следует закрыть стенками из проводящего материала.

На фиг. 1 представлен схематический вид низкочастотной антенны, где a - длина раскрыва параболоида, b - ширина у основания, h - высота, f - фокусное расстояние параболоида, 1 - плечи резистивно-нагруженного дипольного вибратора, 2 - отражатель из проводящего материала в виде цилиндрического параболоида, 3 - наклонные торцевые стенки из проводящего материала, 4 - щель для предотвращения вторичного облучения вибраторов, 5 - поглотитель прямого излучения.

На фиг. 2 приведены потери на отражение R от поверхности земли в зависимости от диэлектрической проницаемости ε_g грунта: кривая 1 - для незаполненной антенны с ε_a = 1; кривая 2 - для антенны, заполненной материалом с ε_a = 16; кривая 3 - для антенны с ε_a = 81.

Для примера рассмотрим конструкцию антенны с цилиндрическим параболоидом 2 (фиг. 1), предназначенной для работы в диапазоне частот 30 - 150 МГц. Антенна имеет размеры: длина раскрыва a=1,5 м, ширина у основания b=1 м, высота h=0,5 м. Длина раскрыва a определяет ширину диаграммы направленности (по критерию Релея), и при выборе ε_a = 81 ширина диаграммы составляет ≈ 50^o на частоте 30 МГц (a/ λ = 1,4, где λ - длина волны излучения) и сужается до ≈ 10^o на частоте 150 МГц (a/ λ = 7,5). В ортогональной плоскости направленность определяется дипольным вибратором 1 [2, 1.VII, с.147], поэтому антенна имеет ножевидную диаграмму направленности. Так как из-за большого затухания сигнала георадар способен работать только в ближней зоне, расходимость в ≈ 10^o не слишком ухудшает предельное пространственное разрешение, определяемое рабочей длиной волны. Для оценок ширины диаграммы направленности можно воспользоваться расчетными диаграммами при различных a/ λ , приведенными в [2, 12.XVIII, с.493]. Высота антенны h=0,5 м определяется фокусным расстоянием f параболоида. Размер антенны в поперечном (по образующей цилиндра) направлении должен быть несколько больше длины дипольного вибратора (0,55 м на частоте 30 МГц). Исходя из этого ширина антенны у вершины параболоида выбрана 0,75 м и у основания параболоида b=1 м. Торцы параболоида для экранировки от помех закрыты проводящими стенками, причем для уменьшения звона антенны стенки выполнены наклонными так, чтобы отраженное излучение не попадало на дипольный вибратор. Также для подавления звона в вершине параболоида вырезана щель 4, размер которой больше размера вибратора. При подаче на излучатель антенны короткого зондирующего импульса возникает сферическая волна, распространяющаяся непосредственно от излучателя, и с задержкой во времени плоская волна, формируемая отражением от параболоида сферической волны. Вместо одного возникают два импульса, и для подавления первого паразитного импульса прямого излучения под излучателем помещается поглотитель 5 (фиг. 1), например, из волокнистого графита [5, 12.5, с. 728] . Наличие поглотителя желательно, хотя и не обязательно, так как интенсивность сферической волны быстро спадает с расстоянием (как квадрат расстояния). При выбранных размерах цилиндрического параболоида вес антенны при заполнении смесью с ε_a = 81 сегнетокерамических иголок с пенопластом составляет ≈ 50 - 200 кг в зависимости от марки используемой сегнетокерамики. Заполнение антенны смесью с ε_a/ = 16 снижает вес до ≈20 - 60 кг, но для сохранения ширины диаграммы направленности необходимо вдвое повысить рабочую частоту георадара (60 - 300 МГц).

В рабочем положении антенна устанавливается основанием на земную поверхность, поэтому излучатель находится внутри замкнутой полости, ограниченной поверхностью параболоида и земной поверхностью. Отраженное от земной поверхности излучение фокусируется параболоидом на вибратор, приводя к переизлучению импульса, и вместо одного импульса возникает последовательность уменьшающихся по амплитуде импульсов (так называемый звон антенны). Для работы георадара важно, чтобы амплитуда последующих импульсов быстро затухала, поэтому отражение излучения от земной поверхности должно быть по возможности малым. При нормальном палении излучения потери на отражение R на границе двух сред с диэлектрическими проницаемостями ε₁ и ε₂ определяются выражением [6]

Значения проницаемости различных грунтов лежат в пределах ε_g = 4 - 80. Из выражения (4) можно получить, что при выборе диэлектрической проницаемости заполнителя антенны ε_a = 16 - 25 коэффициент отражения R≤0,1 почти для всех грунтов (R≈0,15 для грунтов с проницаемостью ε_g = 4 и ε_g = 81). На фиг. 2 для сравнения приведены потери на отражение излучения от земной поверхности незаполненной антенны (кривая 1), антенны с ε_a = 16 (кривая 2) и антенны с ε_a = 81 (кривая 3). Как видно из фиг. 2, потери на отражение излучения антенны с ε_a = 16 значительно меньше по сравнению с потерями незаполненной антенны. Антенна с ε_a = 81 имеет минимальные потери для грунтов с ε_g = 36 - 81. В тех случаях, когда важнее вопрос уменьшения габаритов антенны, имеет смысл использовать заполнитель с ε_a = 81. В отличие от обычных радаров, для которых рабочей средой является воздушное пространство, для георадаров распространение сигнала происходит в среде с ε_g = 4 - 80. Поэтому естественно и выгодно заполнить антенну средой с проницаемостью, близкой к проницаемости грунта. При выборе заполнителя с ε_a = 16 - 81 линейные размеры антенны уменьшаются соответственно в 4 - 9 раз по сравнению с незаполненной антенной, а объемные в 64 - 729 раз.

Рассмотрим кратко антенну для георадара в действии. Передающая и подобная по конструкции приемная антенна георадара устанавливаются на земную поверхность рядом, на расстоянии 2 - 4 м. Передающая антенна излучает короткий зондирующий импульс в подповерхностные слои Земли, и затем отраженные от различных неоднородностей волны улавливаются приемной антенной. Выходной сигнал георадара представляет собой временную последовательность отраженных от подповерхностных неоднородностей импульсов. Вопрос интерпретации выходного сигнала является труднейшей, все еще неудовлетворительно решенной проблемой. Задача состоит в восстановлении картины подповерхностной структуры по набору временных последовательностей импульсов, полученных радиозондированием от точки к точке в исследуемой площадке земли. Но многие факторы, такие как звон антенны, расплывание импульса, наложение отраженных от разных неоднородностей импульсов, различные помехи, сильно усложняют проблему интерпретации данных подповерхностного радиозондирования. Использование предлагаемой антенны снимает ряд трудностей: узкая диаграмма направленности подавляет помехи, источники которых находятся вне лепестков диаграммы; увеличивает выходной сигнал при равной мощности зондирующего импульса; значительно уменьшает вероятность наложения импульсов, отраженных от различных неоднородностей, так как отраженный сигнал приходит только от небольшого, облученного передающей антенной участка подповерхностной структуры. Повышенная избирательность к поляризации излучения антенны с заполнением сегнетокерамическими иголками дает возможность получения дополнительной информации о состоянии поляризации выходного сигнала и определения по этой информации физических параметров подповерхностных слоев, таких как диэлектрическая проницаемость и проводимость.

Литература
1. Watts R.D. and Wright D.L., Instruments and Methods. Systems for measuring thickness of temperate and polar ice from the ground or from the air. Journal of Glaciology, vol. 27, N. 97, 1981, p. 459 - 469.

2. Айзенберг Г.3. Антенны ультракоротких волн. - М.: Связьиздат, 1957.

3. Krall A.D. and Syles A.M., Embedded Dielectric Rod Antenna, U.S.Patent 4.274.097, НКИ 343/719.

4. Sandler S. S. , Broad Band Liquid Loaded Dipole Antenna. U.S.Patent 4.498.086, НКИ 343/807.

5. Кинг P. , Смит Г. Антенны в материальных средах, в двух книгах. М.: Мир, 1984.

6. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. - М.: Высшая школа, 1978, с. 62.

Антенна предназначена для использования в геофизике и геологии при исследовании подповерхностных слоев земли зондированием электромагнитными импульсами. Учитывая то, что импульс георадара распространяется в среде с диэлектрической проницаемостью ε = 4 - 80, предлагается конструкция антенны в виде параболоида из проводящего материала, в фокусе которого помещен излучатель (резистивно-нагруженный дипольный вибратор), а внутренняя полость параболоида заполнена материалом с ε = 16 - 80, близкой к проницаемости зондируемой поверхности. Для повышения избирательности к поляризации излучения антенн заполняют анизотропным материалом с проницаемостью, максимальной в направлении, параллельном плечом вибратора. Легкий по весу анизотропный материал можно получить из параллельно ориентированных сегнетокерамических иголок. Рассмотрена конструкция антенны в виде цилиндрического параболоида для работы в диапазоне частот 30 - 150 МГц. Антенна при приемлемых габаритах и весе обладает хорошей помехозащищенностью, относительно узкой диаграммой направленности (≈ 10 - 50^o) и высокой избирательностью к поляризации излучения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Антенна для георадара, содержащая излучатель, выполненный в виде резистивно-нагруженного дипольного вибратора, отличающаяся тем, что излучатель помещен в фокусе отражателя, представляющего собой параболоид из проводящего материала, внутренняя полость которого заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью, близкой к диэлектрической проницаемости зондируемой поверхности в направлении, параллельном плечам вибратора. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что материал представляет собой анизотропный материал с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице в направлении, перпендикулярном плечам вибратора. 3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что анизотропный материал представляет собой смесь пористого материала и ориентированных вытянутых частиц, продольные размеры которых значительно меньше рабочей длины волны георадара. 4. Антенна по п. 3, отличающаяся тем, что в качестве ориентированных вытянутых частиц используются сегнетоэлектрические иголки. 5. Антенна по п.2 или 3, отличающаяся тем, что для работы в низкочастотном диапазоне отражатель представляет собой цилиндрический параболоид, торцевые стенки которого выполнены наклонными.