Экранированная антенна для георадаров

Полезная модель относится к антенным устройствам и предназначена для применения в геофизике и геологии для обнаружения электромагнитным зондированием подповерхностных объектов и определения строения и состава подстилающих пород. Предлагается универсальная экранированная антенна для георадара на диапазон рабочих частот 200-12,5 МГц с быстрой сменой рабочей частоты. Сам экран изготовлен из 7-и слоев радиопоглощающего ворсового материала и состоит из конструктивно завершенных секций с установленным внутри фрагментом вибратора резистивно-нагруженной дипольной антенны. Фрагменты вибратора антенны получены разрезанием на части, по количеству выбранных рабочих частот, дипольных плеч наиболее длинного вибратора антенны. Самая высокочастотная антенна георадара образуется при присоединении к входным разъемам передатчика (или приемника) в центральной секции экрана концевых фрагментов вибратора антенны. Переход на смежную более низкую рабочую частоту производится введением в каждое плечо антенны между центральной и концевыми секциями промежуточной секции экрана с фрагментом вибратора, смежным с концевым фрагментом вибратора. И таким образом, введением или удалением промежуточных секций добиваются перехода на другие рабочие частоты георадара. Ожидаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является доведение глубин подповерхностного зондирования до 200-300 м применением экранированных низкочастотных антенн на частоте до 12,5 МГц. Эффективное подавление экраном внешних помех также позволяет увеличить глубину зондирования осреднением сигнала по многим (до десятков тысяч) измерениям. Поставленная задача решается повышением производительности георадарных работ применением конструктивно завершенных сменных секций-модулей экранов, а также конструкцией стыков секций-модулей, предотвращающих проникновение помех.

Полезная модель относится к антенным устройствам и предназначена для использования в геофизике и геологии для глубинного обнаружения электромагнитным зондированием подповерхностных объектов и определения строения и состава подстилающих пород.

Экранировка антенн от помех в верхней воздушной полусфере всегда играла важную роль в повышении эксплуатационных характеристик георадара. В последнее время защита от помех стала более актуальной в связи с бурным ростом информационных технологий (интернет, мобильная связь и др.). Проблема экранировки успешно решена для высокочастотных георадаров, чего нельзя сказать о георадарах с рабочими частотами ниже 100 МГц. Вместе с тем, из-за роста затухания сигнала с повышением частоты, все глубинные георадары используют диапазон рабочих частот от 10 до 50 МГц. Частоты ниже 10 МГц не применяются из-за неудобства в работе с громоздкими антеннами и ухудшением пространственного разрешения измерений.

Несмотря на понимание, что проблема экранировки антенн от внешних помех может быть решающей в деле достижения максимальных глубин, ни один зарубежный георадар, как и отечественные устройства для подповерхностного зондирования кроме устройства [1], не оснащены экранированными антеннами на частоты ниже 100 МГц. Объясняется это тем, что при решении задачи защиты от помех стандартным волновым приближением [2, 3], вес и габариты экрана на низких частотах становятся неприемлемо большими. Так лучший экран зарубежного георадара на рабочую частоту 100 МГц имеет вес 28 кг при коэффициенте подавления помех всего 15 дБ. В работе [4] приведена конструкция легкого компактного шатрового экрана из 6-и слоев радиопоглощающего ворсового материала с коэффициентом подавления воздушных помех более 30 дБ на частоте 200 МГц. Сопротивление 350-400 Ом 1-го ближнего к антенне слоя ворса выбрано близким к волновому сопротивлению воздушного пространства 377 Ом, и такое решение позволяет исключить шунтирование экраном входа антенны, приводящего к снижению излучательной способности передатчика и чувствительности приемника, а также уменьшить габариты экрана приближением 1-го слоя ворса до 3-5 см к антенне, Сопротивление каждого последующего слоя ворса уменьшается вдвое, и 6-й внешний слой имеет сопротивление 10-15 Ом. Слои ворса образуют как бы сплошную общей толщиной 12,5-15 см поглощающую среду с плавным изменением сопротивления.

Подобная конструкция экрана с изменением сопротивления слоев ворса по экспоненциальному закону, с пыле- и влагозащитным чехлом и поддоном из радиопрозрачного материала использована и в известной полезной модели [1], выбранной в качестве прототипа, в которой диапазон экранировки расширен до рабочих частот 50 МГц. Конструкция экрана отличается тем, что добавлением 7-го (5-7 Ом) слоя ворса коэффициент подавления помех повышен до 60 дБ на рабочей частоте 100 МГц. Кроме того, шатровый экран выполнен сборно - разборным из центральной, двух концевых и четырех промежуточных секций. Смена рабочей частоты 200 МГц на более низкую частоту 100 МГц производится добавлением промежуточных секций длиной 0,375 м между центральной и концевыми секциями с одновременной заменой вибраторной антенны длиной 0,75 м на другую 1,5 м вибраторную антенну. Для перехода на рабочую частоту 50 МГц к экрану еще добавляются промежуточные секции 0,75 м с заменой 1,5 м антенны на 3 м антенну. Используется комплект из 3-х резистивно-нагруженных дипольных вибраторных антенн длиной 0,75 м (200 МГц), 1,5 м (100 МГц), 3,0 м (50 МГц).

К основному недостатку экрана устройства - прототипа следует отнести большие непроизводительные временные затраты при смене рабочей частоты. При переходе на другую частоту вначале разбирается шатер экрана, убирается антенна, добавляются или удаляются секции экрана, устанавливается новая антенна, и после этого собирается до полной готовности шатер экрана. Слабым местом экрана являются стыки секции, так как появление даже небольшого зазора в стыках приводит к значительному, вплоть до потери работоспособности устройства, проникновению помех. Поэтому для предотвращения появления зазора слои ворса в стыках приходится стягивать между собой в нескольких точках с помощью крючков или клипсов, что отнимает много времени при сборке и разборке экрана (порядка часа и более).

Задача предлагаемой полезной модели состоит в разработке и создании антенны с универсальным сборно-разборным экраном на диапазон частот 200-12,5 МГц с более быстрой сменой рабочей частоты.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является доведение глубин подповерхностного зондирования до 200-300 м применением экранированных низкочастотных антенн для работы георадара в диапазоне частот 50-12,5 МГц, где удельное затухание сигнала минимально. Кроме того, эффективное подавление экраном внешних помех позволяет реализовать увеличение чувствительности георадара с помощью осреднения сигнала по многим (до десятков тысяч) измерениям.

Поставленная задача решается разработкой функционально завершенных сменных секций-модулей экранов с заранее установленным фрагментом резистивно-нагруженного дипольного вибратора антенны, а также конструкцией стыков секций-модулей, предотвращающих проникновение помех без дополнительных затрат времени.

Экранированная антенна для георадара, укомплектованная набором резистивно-нагруженных дипольных вибраторов для нескольких рабочих частот, состоящая из одной центральной, двух концевых и нескольких промежуточных секций разборного шатрового экрана, изготавливается из нескольких слоев радиопоглощающего ворсового материала с сопротивлением внутреннего (первого от вибратора) слоя, близким к волновому сопротивлению свободного пространства и с постепенным уменьшением сопротивления по экспоненциальному закону от внутреннего слоя к внешнему. При этом экран защищен пыле- и влагозащитным чехлом и смонтирован на поддоне из тонкого радиопрозрачного материала. При заданном наборе из n перестраиваемых рабочих частот георадара, экран выполнен из (2n+1) конструктивно завершенных секций с установленными в них фрагментами вибратора антенны. Сами фрагменты вибратора получены разрезанием, в соответствии с выбранными рабочими частотами, на n частей каждого из двух симметричных дипольных плеч наиболее длинного низкочастотного вибратора антенны. Фрагменты снабжены разъемами на концах для соединения с другими фрагментами. Центральная секция с установленным внутри передатчиком (или приемником) и входными разъемами дипольного вибратора вместе с концевыми секциями с установленными в них концевыми фрагментами вибратора образуют наиболее высокочастотную антенну георадара при n=1. При n=2 происходит переход на смежную более низкую рабочую частоту введением симметрично в каждое плечо антенны промежуточной секции с фрагментом вибратора, смежным с концевым фрагментом вибратора. И так далее для n=1, 2, 3 введением или удалением промежуточных секций с сохранением порядка расположения фрагментов вибратора до разрезания добиваются перехода на другие рабочие частоты георадара.

Конструкция экранированной антенны представлена на фиг. 1. Длины промежуточных секции 1 произвольны (симметрично в обоих плечах вибратора антенны) и определяются заданным набором рабочих частот георадара. В нашем случае, исходя из шага изменения рабочей частоты и соображения удобства транспортировки, длины промежуточных секций выбраны равными 0,375 м и 0,75 м. Поперечный размер и конструкция промежуточных секций 1 экрана остаются неизменными. В продольном направлении (вдоль антенны) производится удлинение экрана за счет добавления дополнительных промежуточных секций 1 между центральной секцией 2 и концевыми секциями 3. Радиопоглощающий ворс 4 в секциях крепится на поддоне 5 из тонкого радиопрозрачного материала, например, листа текстолита толщиной 1,5 мм. Также на поддоне 5 монтируется фрагмент вибратора антенны 6 с разъемами на концах для соединения с другими фрагментами. Фрагменты изготовлены из наиболее длинной, низкочастотной 12,0 м резистивно-нагруженного дипольного вибратора антенны, разрезанием каждого плеча вибратора длиной 6,0 м на отрезки по заданному набору рабочих частот. Концевые фрагменты образуют плечи диполей наиболее высокочастотной антенны, а при переходе на более низкую частоту к плечам подсоединяются соседние фрагменты 6 в том порядке, как они располагались до разрезания. Снаружи радиопоглощающие слои ворса защищены пыле- и влагозащитным чехлом 7 с использованием замков-молний 8 для соединения между собой, а снизу поддоны 5 скрепляются друг с другом двумя капролоновыми перемычками (на фиг.1 не показаны). Над защитным чехлом 7 установлена коробка 9 интерфейса для беспроводной связи передатчика (или приемника) с командным блоком (не показан на фиг. 1). В качестве опоры для шатрового экрана используются стойки 10, к которым также крепятся слои ворса для фиксации зазора между ними.

Итак, применение конструктивно завершенных промежуточных секций с установленными в них фрагментами вибратора антенны обеспечивает быструю смену рабочей частоты георадара и устраняет процедуру разборки экрана от поддона для замены вибраторных антенн и дальнейшей сборки экрана. Кроме того, замена комплекта вибраторных антенн для нескольких рабочих частот на одну фрагментированную низкочастотную вибраторную антенну дает существенный выигрыш в весе (>10 кг в зависимости от количества выбранных рабочих частот георадара).

Для устранения проникновения помех через стыки секций предложена очень простая, не требующая больших затрат времени при сборке и разборке конструкция стыков (вид Б-Б). Радиопоглощающие слои в секциях устанавливаются так, чтобы каждый очередной слой был сдвинут относительно предыдущего на ~5 см в разные стороны от линии стыка, и при сборке выступающие части слоев одной секции входят в межслойные выемки ответной секции. При такой конструкции на переход от одной рабочей частоты на другую тратится несколько минут вместо часа и более для устройства-прототипа.

Малое сопротивление последнего слоя гарантирует высокую эффективность экранировки. К настоящему времени изготовлены экраны на частоту 25 МГц (6 м антенны) с коэффициентом подавления >30 дБ и весом полного комплекта (для передатчика и приемника) не более 25 кг. При необходимости коэффициент подавления помех может быть доведен до 45-50 дБ на частоте 25 МГц добавлением 8-го слоя ворса с сопротивлением 3-4 Ом. Устранение помех от верхнего (воздушного) полупространства существенно упрощает процедуру интерпретации данных подповерхностного зондирования, поскольку остаются только полезные сигналы от исследуемых объектов. Кроме того, экранировка дает возможность проводить работы в замкнутых объемах, таких как тоннели и горные выработки, в помещениях, и даже вблизи источников сильных радиопомех. Эффективное подавление экраном внешних помех позволяет повысить чувствительность приемника осреднением сигнала по многим (до сотен тысяч) измерениям и, как следствие, значительно увеличить глубину зондирования.

Как уже отмечалось, экран имеет секционную конструкцию, и переход от одной рабочей частоты на другую производится добавлением либо удалением промежуточных секций. Возможность быстрого перехода от одной частоты на другую позволяет при приемлемых затратах времени исследовать частотную зависимость удельного затухания подповерхностной среды. Различные грунты и породы имеют разные зависимости затухания от частоты, и это обстоятельство можно использовать для идентификации состава пород и полезных ископаемых только подповерхностным электромагнитным зондированием без результатов бурения или при ограниченном объеме таких работ.

Таким образом, в предлагаемом решении автор усматривает новизну в разработке экранированных антенн для георадаров в диапазоне низких рабочих частот от 12,5 МГц до 50 МГц с возможностью быстрой перестройки рабочей частоты. Кроме того, эффективное подавление помех экраном позволяет повысить чувствительность георадара осреднением сигнала по многим измерениям. Предлагаемое решение было проверено при поиске подземного хода в центральной части Москвы. Работы проводились с экранированными антеннами на рабочую частоту 50 МГц (длина 3 м) на ограниченной площадке, в условиях исключительно сильных радиопомех. Профилированием без осреднения ход не был обнаружен, и только повторный поиск с осреднением по 128 измерениям, позволило найти в слое известняка с большим удельным затуханием на глубине 30 м подземный ход.

Технико-экономическая эффективность обосновывается возможностью выполнения в присутствии сильных техногенных помех с помощью низкочастотных экранированных антенн исследования до глубин 200-300 м для грунтов с двойным удельным затуханием 1,0-0,5 дБ/м, с определением состава подстилающих пород по зависимости затухания сигнала от частоты.

Источники информации:

1.. RU пат. 81812 U1, 27.03.2009, нки G01V 3/12 (прототип).

2. Виноградов А.П., Лагарьков А.Н., Сарычев А.К., Стерлина И.Г. Многослойные поглощающие структуры из композитных материалов. РЭ, 1996, гл. 5, §17, с 158-161.

3. Severin H. Nonreflecting absorbers for microwave radiation. IRE Trans / 1956. AP-4, 3, p. 385-392.

4. О Ен Ден. Легкий, компактный шатровый экран для антенн георадаров. Специальная техника. 2006, 5, с. 32-35.

1. Экранированная антенна георадара, укомплектованная набором резистивно-нагруженных дипольных вибраторов для нескольких рабочих частот, состоящая из одной центральной, двух концевых и нескольких промежуточных секций разборного шатрового экрана, а сам экран выполнен из нескольких слоев радиопоглощающего ворсового материала с сопротивлением внутреннего (первого от вибратора) слоя, близким к волновому сопротивлению свободного пространства и с постепенным уменьшением сопротивления по экспоненциальному закону от внутреннего слоя к внешнему, при этом экран защищен пыле- и влагозащитным чехлом, смонтирован на поддоне из тонкого радиопрозрачного материала, отличающаяся тем, что при заданном наборе из n перестраиваемых рабочих частот георадара, экран выполнен из (2 n+1) конструктивно завершенных секций с установленными в них фрагментами вибратора антенны, а сами фрагменты вибратора получены разрезанием, в соответствии с выбранными рабочими частотами, на n частей каждого из двух симметричных дипольных плеч наиболее длинного низкочастотного вибратора антенны, с разъемами на концах для соединения с другими фрагментами, и при этом центральная секция с входными разъемами дипольного вибратора вместе с концевыми секциями с установленными в них концевыми фрагментами вибратора образуют наиболее высокочастотную антенну георадара при n=1, а при n=2 происходит переход на смежную более низкую рабочую частоту при введении в каждое плечо антенны промежуточной секции с фрагментом вибратора, смежным с концевым фрагментом вибратора, и так далее для n=1,2,3... введением или удалением промежуточных секций с сохранением порядка расположения фрагментов вибратора до разрезания добиваются перехода на другие рабочие частоты георадара.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что радиопоглощающие слои экрана скомпонованы со сдвигом каждого очередного слоя относительно предыдущего на 5 см в разные стороны от линии стыка так, чтобы при сборке выступающие части слоев входили в межслойные выемки ответной секции.