RU2117368C1 - Georadar antenna - Google Patents

Georadar antenna Download PDF

Info

Publication number
RU2117368C1
RU2117368C1 RU97102961A RU97102961A RU2117368C1 RU 2117368 C1 RU2117368 C1 RU 2117368C1 RU 97102961 A RU97102961 A RU 97102961A RU 97102961 A RU97102961 A RU 97102961A RU 2117368 C1 RU2117368 C1 RU 2117368C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
paraboloid
vibrator
permittivity
filled
Prior art date
Application number
RU97102961A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU97102961A (en
Inventor
Ен Ден О
Александр Евгеньевич Резников
Original Assignee
Ен Ден О
Александр Евгеньевич Резников
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ен Ден О, Александр Евгеньевич Резников filed Critical Ен Ден О
Priority to RU97102961A priority Critical patent/RU2117368C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2117368C1 publication Critical patent/RU2117368C1/en
Publication of RU97102961A publication Critical patent/RU97102961A/en

Links

Images

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

FIELD: geophysics and geology; investigating subsurface layers of earth by sounding with electromagnetic pulses. SUBSTANCE: since georadar pulse propagates in medium with permittivity ε = 4-80, proposed antenna is made of conducting material in the form of paraboloid with radiator (resistor-loaded dipole) placed in its focus; internal space of paraboloid is filled with material having permittivity ε = 16-8 approaching that of surface being sounded. Antenna is filled with anisotropic material having maximal permittivity in direction parallel to dipole arms. Light-weight anisotropic material may be obtained from parallel-oriented ferroelectric ceramic needles. Under discussion is antenna design in the form of cylindrical paraboloid for operation in frequency range of 30-150 MHz. Directivity pattern of antenna is about 10-50 deg. EFFECT: improved noise immunity, narrow directivity pattern, and improved selectivity to polarization of radiated rays. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к антенным устройствам и предназначено для использования в геофизике и геологии при изучении радиозондированием подповерхностных слоев земли. The invention relates to antenna devices and is intended for use in geophysics and geology in the study of radio sounding subsurface layers of the earth.

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]. In recent years, the study of subsurface layers of the earth has been finding wider application by sounding with short electromagnetic pulses with a central frequency of the spectrum of 10 MHz - 1 GHz. High-frequency georadars (300 MHz - 1 GHz) provide high spatial resolution, but due to the rapid increase in signal attenuation with a frequency, they have a small (units - first tens of meters) sounding depth. To achieve great sounding depths (tens to first hundreds of meters), it is necessary to use low frequencies from 10 MHz to 200 MHz, and the lower the frequency, the deeper layers are reachable for examination. In low-frequency GPRs, resistively-loaded dipole vibrators are usually used as antennas [1]. Since the electromagnetic wavelength at a frequency of 10 MHz is 30 m, the length of the dipole antennas is 15 m. The large dimensions of the antennas lead to many operational inconveniences. One of the main disadvantages of such antennas, especially when working near sources of man-made interference, is their low noise immunity. For high-frequency GPR shielding from interference antennas, due to the small size, does not present a difficult problem. At the same time, placing bulky low-frequency GPR antennas in the shielding casing is rather difficult, therefore it is necessary to reduce the size of the antennas in one way or another. A simple reduction in the size of the antenna is unacceptable due to a sharp (as the 4th degree of the length of the vibrator) decrease in antenna efficiency [2, 2.VII., P. 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. From the equations of electrodynamics it follows that in a medium with a dielectric constant ε the wavelength decreases n = √ ε times, where n is the refractive index of the medium. This circumstance is used in the solution of the patent [3] to reduce the size and increase the efficiency and directivity of the antenna of the ship’s gun guidance station. The dielectric rod antenna is made of materials with high permeability (ε = 16 - 232 on the axis of the rod and ε = 14 - 169 in the outer layer) and is capable of operating up to a frequency of 300 MHz.

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. Especially for the purposes of subsurface radio sounding of the earth, the patent [4] proposes a dipole resistively loaded antenna at a frequency of 10 MHz, which is adopted as a prototype. The vibrator shoulders are enclosed in a double coaxial dielectric cylinder. The gap between the inner, which serves as the electrical insulation of the vibrator, and the outer cylinder is filled with saline. GPRs use short pulses, and during shock excitation in the antenna extremely undesirable vibrations from re-reflections of radiation occur, the so-called ringing of the antenna. Typically, to suppress ringing associated with the reflection of waves from the ends of the vibrator, resistors distributed according to a certain law are symmetrically integrated into each arm [1]. In this case, such a resistive load is the saline solution surrounding the vibrator. At the same time, saline filling leads to a reduction of approximately three times from 15 to 5 m of the physical length of the antenna. The obtained shortening coefficient is three times less than theoretically expected (ε ≈ 80 for the saline solution), and this discrepancy can be explained by the fact that the saline solution fills only a small volume adjacent to the vibrator.

Решаемой технической задачей является создание эффективной, компактной антенны для георадаров, экранированной от помех, избирательной к поляризации излучения и с относительно узкой диаграммой направленности. The technical task to be solved is the creation of an effective, compact antenna for ground penetrating radars, shielded from interference, selective to radiation polarization and with a relatively narrow radiation pattern.

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. This is achieved by the fact that the antenna emitter, made in the form of a resistively-loaded dipole vibrator, is placed in the focus of the reflector, which is a paraboloid (rotation or cylindrical) of conductive material. To solve the problem of reducing the dimensions of the antenna, the internal cavity of the paraboloid should be filled with a material with the greatest permittivity ε. But at the same time, to reduce the ringing of the antenna, it is necessary to choose a filler with a dielectric constant close to that of the soil.

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]

Figure 00000002

где
εc - 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.According to the proposed solution, liquids (water ε = 80, methanol ε = 34, ethanol ε = 25), solid dielectrics (titanium dioxide ε = 100), ferroelectrics (ε = 1000 - 10000), and also mixtures of various dielectrics. There is an empirical formula for determining the permeability of a mixture of two dielectrics [5, 6.12, p. 400]
Figure 00000002

Where
ε c is the permeability of the mixture;
ε 1 and ε 2 - permeability of the first and second medium;
p is the part of the volume occupied by the first medium;
u is a number depending on the shape and orientation of the particles of this medium.

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
εc= 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/εc= 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).
If particles with ε 1 distributed in a medium with ε 2 have a spherical shape, then u = 2. If the first medium consists of elongated particles oriented along the direction of the electric field, then, depending on the degree of elongation, the number u varies within 2 <u <∞. In the case u _ → ∞ (more precisely, u >> ε 1 ), formula (1) takes the form
ε c = pε 1 + (1-p) ε 2 (2)
If the electric field is directed perpendicular to the direction of elongation of the particles, then 0 <u <2, and as u ---> 0, expression (2) can be written as
1 / ε c = p1 / ε 1 + (1-p) 1 / ε 2 (3)
Note that formulas (2) and (3) correspond to well-known formulas for parallel and serial connection of capacities. Thus, the dielectric of oriented elongated particles is substantially anisotropic, and when filling the internal cavity of the reflector with such a mixture, the selectivity to the polarization of the antenna radiation increases. The radiation of the dipole vibrator to one degree or another (depending on the shape of the vibrator) is partially polarized so that the electric vector is mainly directed parallel to the shoulders of the vibrator. Therefore, the orientation of the elongated particles of the dielectric should also be parallel to the shoulders of the vibrator. For radiation with orthogonal polarization, the antenna is ineffective, since the permeability of the filler in this direction is minimal (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

Figure 00000003
= 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).The validity of formulas (2) and (3) was checked on samples of polyethylene capsules with water mounted in a foamy material. In accordance with formula (2) at p = 0.2 and p = 0.32 and the degree of elongation l / d = 10, where l is the length and d is the diameter of the volume of water in the capsule, the dielectric constant in the direction of elongation was respectively
Figure 00000003
= 16 and ε // = 25, while across the direction of elongation ε 1 = 1 in accordance with formula (3). To exclude the dependence of permeability on frequency, the size of the capsules was chosen from the condition of their smallness compared to the radiation wavelength. The disadvantage of a filler with water capsules is its high weight. In this regard, the use of ferroelectric particles placed in a porous material as a filler of the internal cavity of the antenna reflector of the antenna promises great advantages. As follows from formulas (1-3), to obtain large values of the dielectric constant of the mixture, the shape of the ferroelectric particles must be such that the condition u >> ε 1 is satisfied, which is not so easy to achieve because of the very large values of ε 1 . If the condition u >> ε 1 is satisfied, then the permeability of the mixture can be calculated by the formula (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.The experiments conducted on a T-1000 capacitor ferroceramics (ε = 1300 - 1500, an operating temperature range of (-40) - (85) o C, a change in permeability in the operating temperature range of ± 10%) showed that formula (2) is valid if the degree of elongation of ferroceramic particles l / d> 50. The use of such ferroceramic needles in comparison with water capsules with equal values of ε gives a gain in weight of 2.5 - 10 times depending on the density of the used ferroceramics (the density of various grades of ferroceramics is in the range of 3.5 - 7 g / cm 2 ). An anisotropic mixture can be made, for example, as follows.

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. On thin sheets of foamy material, parallel-oriented nests for ferroceramic needles are squeezed out, the nests are filled with needles, then filler is collected in the form of a packet of sheets glued with foamy sealant.

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. From the theory of antennas it is known [2] that the more open (the surface bounded by the edge of the paraboloid) of the antenna, the narrower the radiation pattern. For reasons of convenience in operation, it is desirable that the antenna dimensions do not exceed ≈ 1.5 m. At high frequencies, the size of the emitter is much smaller than this value (≈ 8 cm at a frequency of 200 MHz when filling with material with ε = 81), and you can choose as a reflector paraboloid of rotation. For low frequencies, the size of the emitter in one coordinate becomes comparable with the size of the reflector (0.8 m at a frequency of 20 MHz at ε = 81), therefore, the reflector is made in the form of a cylindrical paraboloid. In order to shield from interference, the open ends of the cylindrical paraboloid should be closed with walls of conductive material.

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. In FIG. 1 is a schematic view of a low-frequency antenna, where a is the length of the aperture of the paraboloid, b is the width at the base, h is the height, f is the focal length of the paraboloid, 1 is the shoulders of a resistively loaded dipole vibrator, 2 is a reflector made of a conductive material in the form of a cylindrical paraboloid, 3 - inclined end walls of conductive material, 4 - slot to prevent secondary exposure of vibrators, 5 - direct radiation absorber.

На фиг. 2 приведены потери на отражение R от поверхности земли в зависимости от диэлектрической проницаемости εg грунта: кривая 1 - для незаполненной антенны с εa = 1; кривая 2 - для антенны, заполненной материалом с εa = 16; кривая 3 - для антенны с εa = 81.In FIG. 2 shows the reflection loss R from the earth’s surface depending on the dielectric constant ε g of the soil: curve 1 - for an unfilled antenna with ε a = 1; curve 2 - for an antenna filled with material with ε a = 16; curve 3 - for an antenna with 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 εa = 81 ширина диаграммы составляет ≈ 50o на частоте 30 МГц (a/ λ = 1,4, где λ - длина волны излучения) и сужается до ≈ 10o 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 ≈ 10o 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 εa = 81 сегнетокерамических иголок с пенопластом составляет ≈ 50 - 200 кг в зависимости от марки используемой сегнетокерамики. Заполнение антенны смесью с εa/ = 16 снижает вес до ≈20 - 60 кг, но для сохранения ширины диаграммы направленности необходимо вдвое повысить рабочую частоту георадара (60 - 300 МГц).As an example, consider the design of an antenna with a cylindrical paraboloid 2 (Fig. 1), designed to operate in the frequency range 30 - 150 MHz. The antenna has dimensions: the aperture length a = 1.5 m, the width at the base b = 1 m, the height h = 0.5 m. The aperture length a determines the width of the radiation pattern (according to the Rayleigh criterion), and if ε a = 81 is selected, the width the diagram is ≈ 50 o at a frequency of 30 MHz (a / λ = 1.4, where λ is the radiation wavelength) and narrows to ≈ 10 o at a frequency of 150 MHz (a / λ = 7.5). In the orthogonal plane, the directivity is determined by dipole vibrator 1 [2, 1.VII, p.147], so the antenna has a knife-like radiation pattern. Since due to the large attenuation of the signal, the georadar is able to work only in the near zone, the divergence of ≈ 10 o does not too degrade the limiting spatial resolution determined by the working wavelength. To estimate the width of the radiation pattern, one can use the design patterns for various a / λ given in [2, 12.XVIII, p.493]. The antenna height h = 0.5 m is determined by the focal length f of the paraboloid. The size of the antenna in the transverse (along the generatrix of the cylinder) direction should be slightly larger than the length of the dipole vibrator (0.55 m at a frequency of 30 MHz). Based on this, the antenna width at the top of the paraboloid was chosen to be 0.75 m and at the base of the paraboloid b = 1 m. The ends of the paraboloid are shielded by conductive walls for screening from interference, and to reduce the sound of the antenna, the walls are made inclined so that the reflected radiation does not fall on the dipole vibrator . Also, to suppress ringing, a slit 4 is cut out at the top of the paraboloid, the size of which is larger than the size of the vibrator. When a short probe pulse is applied to the antenna emitter, a spherical wave arises, propagating directly from the emitter, and with a time delay, a plane wave formed by reflection from a paraboloid of a spherical wave. Instead of one, two pulses arise, and to suppress the first spurious pulse of direct radiation, an absorber 5 is placed under the emitter (Fig. 1), for example, from fibrous graphite [5, 12.5, p. 728]. The presence of an absorber is desirable, although not necessary, since the intensity of a spherical wave rapidly decreases with distance (as a square of the distance). With the selected dimensions of the cylindrical paraboloid, the weight of the antenna when filling with a mixture with ε a = 81 ferroceramic needles with foam is ≈ 50 - 200 kg, depending on the brand of ferroceramics used. Filling the antenna with a mixture with ε a / = 16 reduces the weight to ≈20 - 60 kg, but to maintain the width of the radiation pattern it is necessary to double the operating frequency of the georadar (60 - 300 MHz).

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]

Figure 00000004

Значения проницаемости различных грунтов лежат в пределах εg = 4 - 80. Из выражения (4) можно получить, что при выборе диэлектрической проницаемости заполнителя антенны εa = 16 - 25 коэффициент отражения R≤0,1 почти для всех грунтов (R≈0,15 для грунтов с проницаемостью εg = 4 и εg = 81). На фиг. 2 для сравнения приведены потери на отражение излучения от земной поверхности незаполненной антенны (кривая 1), антенны с εa = 16 (кривая 2) и антенны с εa = 81 (кривая 3). Как видно из фиг. 2, потери на отражение излучения антенны с εa = 16 значительно меньше по сравнению с потерями незаполненной антенны. Антенна с εa = 81 имеет минимальные потери для грунтов с εg = 36 - 81. В тех случаях, когда важнее вопрос уменьшения габаритов антенны, имеет смысл использовать заполнитель с εa = 81. В отличие от обычных радаров, для которых рабочей средой является воздушное пространство, для георадаров распространение сигнала происходит в среде с εg = 4 - 80. Поэтому естественно и выгодно заполнить антенну средой с проницаемостью, близкой к проницаемости грунта. При выборе заполнителя с εa = 16 - 81 линейные размеры антенны уменьшаются соответственно в 4 - 9 раз по сравнению с незаполненной антенной, а объемные в 64 - 729 раз.In the operating position, the antenna is mounted on the ground surface, so the emitter is inside a closed cavity bounded by the surface of the paraboloid and the ground surface. The radiation reflected from the earth's surface is focused by the paraboloid onto the vibrator, leading to re-emission of the pulse, and instead of a single pulse, a sequence of pulses decreasing in amplitude occurs (the so-called ringing of the antenna). For GPR operation, it is important that the amplitude of subsequent pulses decays quickly, so the reflection of radiation from the earth's surface should be as small as possible. With normal burning of radiation, the reflection loss R at the boundary of two media with permittivities ε 1 and ε 2 are determined by the expression [6]
Figure 00000004

The permeability values of various soils are in the range ε g = 4 - 80. From expression (4) it can be obtained that, when choosing the dielectric constant of the antenna filler ε a = 16 - 25, the reflection coefficient R≤0.1 for almost all soils (R≈0 , 15 for soils with permeability ε g = 4 and ε g = 81). In FIG. 2 for comparison, the losses due to reflection of radiation from the earth's surface of an unfilled antenna (curve 1), antennas with ε a = 16 (curve 2) and antennas with ε a = 81 (curve 3) are shown. As can be seen from FIG. 2, the reflection loss of an antenna with ε a = 16 is significantly less than the loss of an empty antenna. An antenna with ε a = 81 has minimal losses for soils with ε g = 36 - 81. In cases where it is more important to reduce the dimensions of the antenna, it makes sense to use a filler with ε a = 81. Unlike conventional radars, for which the working environment is airspace, for GPR the signal propagates in a medium with ε g = 4 - 80. Therefore, it is natural and beneficial to fill the antenna with a medium with a permeability close to that of the soil. When choosing a filler with ε a = 16 - 81, the linear dimensions of the antenna decrease by 4 - 9 times, respectively, compared with an unfilled antenna, and the volume by 64 - 729 times.

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. Consider briefly the antenna for georadar in action. A transmitting and similar in design receiving radar antenna is installed nearby on the Earth’s surface, at a distance of 2 - 4 m. The transmitting antenna emits a short probe pulse to the subsurface layers of the Earth, and then the waves reflected from various inhomogeneities are captured by the receiving antenna. The GPR output signal is a time sequence of pulses reflected from subsurface inhomogeneities. The issue of interpreting the output signal is the most difficult, still unsatisfactorily resolved problem. The task is to reconstruct the picture of the subsurface structure from a set of temporary sequences of pulses obtained by radiosounding from point to point in the studied area of the earth. But many factors, such as ringing of the antenna, spreading of the pulse, overlapping of pulses reflected from different inhomogeneities, various interference, greatly complicate the problem of interpretation of subsurface radio sounding data. Using the proposed antenna removes a number of difficulties: a narrow radiation pattern suppresses interference whose sources are outside the lobes of the diagram; increases the output signal with equal probe pulse power; significantly reduces the probability of impulses reflected from various inhomogeneities, since the reflected signal comes only from a small, irradiated by the transmitting antenna portion of the subsurface structure. The increased selectivity to polarization of the radiation of the antenna filled with ferroceramic needles makes it possible to obtain additional information about the state of polarization of the output signal and determine from this information the physical parameters of subsurface layers, such as permittivity and conductivity.

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.
Literature
1. Watts RD and Wright DL, 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. 2. Eisenberg G. 3. Antennas of ultrashort waves. - M .: Svyazizdat, 1957.

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

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

5. Кинг P. , Смит Г. Антенны в материальных средах, в двух книгах. М.: Мир, 1984. 5. King P., Smith G. Antennas in material environments, in two books. M .: Mir, 1984.

6. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. - М.: Высшая школа, 1978, с. 62. 6. Kaliteevsky N.I. Wave optics. - M.: Higher School, 1978, p. 62.

Claims (5)

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. 1. An antenna for a georadar containing a radiator made in the form of a resistively-loaded dipole vibrator, characterized in that the radiator is placed in the focus of the reflector, which is a paraboloid of a conductive material, the inner cavity of which is filled with a material with a dielectric constant close to the dielectric constant of the probed surface in the direction parallel to the shoulders of the vibrator. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что материал представляет собой анизотропный материал с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице в направлении, перпендикулярном плечам вибратора. 2. The antenna according to claim 1, characterized in that the material is an anisotropic material with a dielectric constant close to unity in a direction perpendicular to the shoulders of the vibrator. 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. 3. The antenna according to claim 2, characterized in that the anisotropic material is a mixture of porous material and oriented elongated particles, the longitudinal dimensions of which are significantly less than the working wavelength of the GPR. 4. Антенна по п. 3, отличающаяся тем, что в качестве ориентированных вытянутых частиц используются сегнетоэлектрические иголки. 4. The antenna according to claim 3, characterized in that ferroelectric needles are used as oriented elongated particles. 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. 5. The antenna according to claim 2 or 3, characterized in that for operation in the low frequency range, the reflector is a cylindrical paraboloid, the end walls of which are made inclined.
RU97102961A 1997-02-27 1997-02-27 Georadar antenna RU2117368C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97102961A RU2117368C1 (en) 1997-02-27 1997-02-27 Georadar antenna

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97102961A RU2117368C1 (en) 1997-02-27 1997-02-27 Georadar antenna

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2117368C1 true RU2117368C1 (en) 1998-08-10
RU97102961A RU97102961A (en) 1998-12-10

Family

ID=20190271

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU97102961A RU2117368C1 (en) 1997-02-27 1997-02-27 Georadar antenna

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2117368C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2753250C1 (en) * 2020-11-25 2021-08-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН) Directional antenna for underground radiation
RU225504U1 (en) * 2024-03-05 2024-04-23 Дмитрий Сергеевич Горкин LIQUID GEORADAR ANTENNA

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2753250C1 (en) * 2020-11-25 2021-08-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН) Directional antenna for underground radiation
RU225504U1 (en) * 2024-03-05 2024-04-23 Дмитрий Сергеевич Горкин LIQUID GEORADAR ANTENNA

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4814768A (en) Downhole pulse radar
EP0178877B1 (en) Microwave reflection survey equipment
US4728897A (en) Microwave reflection survey technique for determining depth and orientation of buried objects
Lee et al. Modeling and investigation of a geometrically complex UWB GPR antenna using FDTD
Jacobi et al. Water-immersed microwave antennas and their application to microwave interrogation of biological targets
US8174430B1 (en) Detection of concealed object by standing waves
CA2055765A1 (en) Method and apparatus for broadband measurement of dielectric properties
Kofman et al. Detection of model voids by identifying reverberation phenomena in GPR records
WO2014027322A2 (en) Enhanced materials investigation
CA2076993A1 (en) Serrated electromagnetic absorber
RU2117368C1 (en) Georadar antenna
Shipilov et al. Ultra-wideband radio tomographic imaging with resolution near the diffraction limit
CN111812726A (en) Deep geological dielectric resonance detection device and detection method thereof
Golden et al. Modeling of anisotropic electromagnetic reflection from sea ice
US11163086B2 (en) Apparatus and method for wellbore imaging in oil-based mud
Amiri Multi-band and dual-polarised ultra-wide band horn antenna for landmine detection using ground penetrating radar technique
Pieraccini et al. Comparison between horn and bow-tie antennas for through-the-wall applications
Vogt The modelling and design of radio tomography antennas
RU2753250C1 (en) Directional antenna for underground radiation
CN209416451U (en) Radar level gauge system
De et al. Ultrabroadband Electromagnetic Well Logging: A Potential Future Technology
Peden et al. A laboratory scale model for the study of subsurface scattering in low-loss media with applications to ground penetrating radar
Ellis et al. An improved scale model measurement facility for studying geophysical cross-borehole sensing
RU2206942C2 (en) Antenna assembly for georadar
Wang et al. A borehole fluid saturation evaluation method using unidirectional monopole UWB antenna