Передатчик георадара Российский патент 2024 года по МПК G01S7/282 H04B1/04 G01S13/88 

Изобретение относится к антенным устройствам и предназначено для использования в радиосвязи, геофизике и геологии для подземного излучения радиосигналов в системах связи, для каротажа скважин и при исследовании подповерхностных слоев земли зондированием электромагнитными импульсами. Также возможно использование в системах импульсной радиолокации, в охранных системах, и для создания плоских антенно-фидерных устройств, применяемых в других сферах.

В настоящее время широко используются приборы подповерхностного зондирования. В связи со спецификой осуществляемых работ применяются преимущественно антенны с резистивно-нагруженными диполями, в зависимости от требуемых задач используются антенны разных длин. При различных способах расположения антенн, параллельно или последовательно, используя разные их геометрические размеры, добиваются оптимальной диаграммы направленности главного лепестка. Настроив и закрепив выбранные значения указанных параметров, пользователь таким образом фиксирует оптимальную для решаемой задачи диаграмму направленности антенны. Используя несколько диполей и коммутируя, например, угол между диполями V-образной антенны, можно изменять главный лепесток диаграммы направленности в азимутальной плоскости. Такой способ управления диаграммой направленности уже применяется в стационарных системах радиосвязи декаметрового диапазона (Rothammel K.: Antennbuch. 11., Berlin: Militarverlag der Deutschen Demokratischen Republik, 1989, стр. 174-176), для его реализации требуется более двух диполей. Для систем подземной связи изменение диаграммы направленности главного лепестка возможно производить таким же способом. Однако недостатком такого метода является необходимость наличия большого количества диполей. Для устранения этого недостатка применяют различные технические решения. Так в «Направленной антенне для подземного излучения» (патент РФ RU 2753250 C1 МПК H01 Q1/00) резистивно-нагруженный диполь электрически соединен с металлическим экраном, и при его перемещении над металлическим экраном на расстоянии от 0,5 до 3 ширин происходит изменение диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости, что позволяет выделять либо максимальную амплитуду главного лепестка диаграммы направленности антенны, либо увеличить амплитуды боковых лепестков диаграммы направленности антенны. В патенте «Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности» (RU 2080622 C1 МПК G01S 13/95), принятом нами за прототип, описывается такое устройство, в котором содержится передатчик, состоящий из последовательно соединенных высоковольтного источника питания, накопительного конденсатора, разрядника и передающей антенны, а также приемник (в данной заявке он не рассматривается). Данное устройство не содержит элементов изменения диаграммы направленности передающей антенны, изменение характеристик возможно только заменой антенны одной длины на антенну другой длины.

Решаемая техническая задача направлена на возможность изменения диаграммы направленности антенны в азимутальной плоскости, что повысит ее функциональные возможности, например, находясь в одной точке, можно получить отраженный сигнал не только прямо под георадаром, но и справа, и слева, снижая тем самым количество перемещений георадара.

Поставленная задача решается за счет изменения амплитуды импульсного сигнала на выходе передатчика. В отличие от прототипа используем двухполярную схему питания, что позволяет применить передатчик с симметричным выходом и, в результате, снизить напряжение питания в два раза. Переход к применению передатчика с симметричным выходом естественным образом ведет к удвоению элементов (сопротивлений и конденсаторов). Передатчик дополнительно содержит экран передающей антенны. Для обеспечения симметричного выхода двухполярной схемы в передатчик последовательно включены еще один накопительный конденсатор и разрядный резистор. В передатчике между разрядником и антенной вводится дополнительный узел - схема регулировки разрядного тока конденсаторов. Эта схема регулировки позволяет формировать два разнополярных импульса с изменяемой амплитудой, что приводит к изменению диаграммы направленности главного лепестка передающей антенны в азимутальной плоскости. Для этого в схеме регулировки разрядного тока конденсаторов происходит плавное или дискретное изменение сопротивления цепи относительно общей точки высоковольтного двухполярного источника питания, соединенного с введенным экраном передающей антенны. Для поддержания выходной мощности на одном уровне необходимо, чтобы общее сопротивление цепи не изменялось.

Для плавного изменения сопротивления резисторов электронная схема регулировки разрядного тока конденсаторов выполнена с использованием транзисторов, работающих в режиме ограничения тока, а для ручной плавной регулировки - с использованием переменных резисторов.

Для дискретного изменения сопротивления резисторов в схеме регулировки разрядного тока конденсаторов возможно использование схем коммутации резисторов разными механическими переключателями, такими как тумблер, реле, транзисторы работающие в ключевом режиме или другие элементы коммутации электрических цепей, как ручного, так и электронного управления

Для пояснения предлагаемого решения представлен следующий графический материал. На Фиг. 1 приведен общий вид передатчика георадара, где: PS - высоковольтный двухполярный источник питания, FV - разрядник, -С,+С - накопительные конденсаторы, К - схема регулировки разрядного тока конденсаторов, X - разъем; здесь же схема самой антенны, состоящей из резисторов диполя +RA…+8RA, -RA…-8RA, и Е - экрана антенны. Там же в правой части Фиг. 1 приведены изменения диаграммы направленности антенны в азимутальной плоскости в зависимости от величин двухполярных импульсов, поступающих на антенну.

Для ручного плавного изменения главного лепестка диаграммы направленности передающей антенны в схеме регулировки К применяются включенные соответствующим образом сдвоенные переменные резисторы +R, -R, изменяющие сопротивление в противофазе таким образом, чтобы общее сопротивление цепи не изменялось, схема приведена на Фиг. 2.

Для электронного плавного управления главным лепестком диаграммы направленности передающей антенны необходимо плавное изменение сопротивления разрядных цепей. Этого можно достичь применением транзисторов различной проводимости Q1 и Q2, работающих в режиме ограничения тока, схема приведена на Фиг. 3.

В случае необходимости дискретного изменения диаграммы направленности возможно изменение сопротивления разрядной цепи введением в схему регулировки К специальных элементов. Среди них: S1, S2, S3 - переключатели для коммутации разрядных резисторов, +R,+1.5R,+2R, -R, -1.5R, -2R - разрядные резисторы передатчика. Схема приведена на Фиг. 4.

Рассмотрим динамику работы устройства на конкретном примере. Постоянное двухполярное напряжение с высоковольтного блока питания PS поступает на первые выводы накопительных конденсаторов +С,-С. Вторые выводы конденсаторов +С,-С соединены резисторами диполя с экраном Е и через схему регулировки К подключены к общей точке высоковольтного блока питания PS и разъема X. Разрядник FV подключен к накопительным конденсаторам +С,-С. При достижении напряжения пробоя разрядника FV замыкается цепь FV,+C, К,-С, через которую происходит разряд накопительных конденсаторов +С,-С, при этом в схеме регулировки К образуются разнополярные высоковольтные импульсы установленной амплитуды, далее поступающие через разъем X на антенну с последующим излучением в среду. Изменение амплитуды разнополярных высоковольтных импульсов диаграммы направленности главного лепестка производится схемой регулировки К за счет изменения сопротивления в цепи разряда накопительных конденсаторов +С,-С. В схеме на Фиг. 2 для установления сигнала требуемой амплитуды и формирования определенной диаграммы направленности главного лепестка производится изменение сопротивления разрядной цепи посредством изменения положения сдвоенных резисторов в схеме регулировки К, подсоединенных таким образом, чтобы общее сопротивление цепи не изменялось. Согласно второму закону Кирхгофа величина тока в общей цепи не изменится, но согласно закону Ома относительно общей точки амплитуда разнополярных импульсов на разъеме X будет несимметрична. В численном выражении для схемы на Фиг. 4 при сопротивлении R=75 Ом, 1,5R=112,5 Ом, 2R=150 Ом и при напряжении на конденсаторах 5000 В общее сопротивление цепи будет равно 225 Ом. В зависимости от подключенных разрядных резисторов передатчика относительно общей точки амплитуда импульсов на разъеме будет+1666 В/-3333 В,+2500 В/-2500 В или -1666 В/+3333 В. Вследствие несимметричности импульсов будет сформировано изменение диаграммы направленности главного лепестка. Разработанный передатчик георадара можно применять с экранированной антенной подземного излучения или со сформированными на ее базе V-образными антеннами.

Предлагаемое техническое решение было реализовано по Фиг. 4 в виде лабораторного макета и позволяет осуществлять управление изменения диаграммы направленности в азимутальной плоскости в пределах ±5 градусов. Использовалась доступная элементная база средней ценовой категории. Макет разработанной антенны для каротажа имеет геометрические размеры: длина - 100 см, высота - 6 см, ширина - 9 см. Параметры импульса: амплитуда - 5 кВ, длительность - 7 нс.

Изобретение относится к антенным устройствам и предназначено для использования в радиосвязи, геофизике и геологии для подземного излучения радиосигналов в системах связи, при каротаже скважин и исследовании подповерхностных слоев земли зондированием электромагнитными импульсами, также возможно использование в системах импульсной радиолокации, охранных системах. Техническим результатом является обеспечение возможности изменения диаграммы направленности антенны передатчика георадара в азимутальной плоскости. Упомянутый технический результат достигается тем, что передатчик георадара, содержащий последовательно соединенные высоковольтный источник питания, накопительный конденсатор, разрядник и передающую антенну, дополнительно содержит экран передающей антенны и последовательно включенные еще один накопительный конденсатор и разрядный резистор, причем высоковольтный двухполярный источник питания соединен с первыми выводами накопительных конденсаторов, вторые выводы которых соединены с резисторами диполей экрана передающей антенны, а также введена схема регулировки разрядного тока конденсаторов, выполненная с возможностью осуществления изменения сопротивления разрядной цепи относительно общей точки высоковольтного двухполярного источника питания, соединенного с экраном передающей антенны. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Передатчик георадара, содержащий последовательно соединенные высоковольтный источник питания, накопительный конденсатор, разрядник и передающую антенну, отличающийся тем, что дополнительно содержит экран передающей антенны и для обеспечения симметричного выхода двухполярной схемы в передатчик последовательно включены еще один накопительный конденсатор и разрядный резистор, причем высоковольтный двухполярный источник питания соединен с первыми выводами накопительных конденсаторов, вторые выводы которых соединены с резисторами диполей экрана передающей антенны, и для формирования двух разнополярных импульсов с изменяемой амплитудой введена схема регулировки разрядного тока конденсаторов, выполненная с возможностью осуществления изменения сопротивления разрядной цепи относительно общей точки высоковольтного двухполярного источника питания, соединенного с экраном передающей антенны.

2. Передатчик по п. 1, отличающийся тем, что для плавного изменения диаграммы направленности передающей антенны электронная схема регулировки разрядного тока конденсаторов выполнена с использованием транзисторов, работающих в режиме ограничения тока, а для ручной плавной регулировки - с использованием переменных резисторов.

3. Передатчик по п. 1, отличающийся тем, что для дискретного изменения диаграммы направленности передающей антенны схема регулировки разрядного тока конденсаторов выполнена с использованием механических переключателей, в том числе управляемых электронными способами.