Применение излучателей Вивальди при подповерхностном радиолокационном зондировании материальных сред и объектов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Сургутский государственный университет ХМАО-Югры, Сургут, РФ

Применение излучателей Вивальди при подповерхностном радиолокационном зондировании материальных сред и объектов

Е.Л. Шошин

Аннотация

антенна вивальди радиолокационный зондирование

В работе рассматривается применение антенны Вивальди при подповерхностном радиолокационном зондировании почвогрунтов и инженерных конструкций. Приведены результаты экспериментальных исследований дисперсионных характеристик лабораторного образца антенны при излучении в бетон. Анализируется влияние почвогрунтов на энергетические характеристики излучателя антиподального типа. Рассматривается применение антенной системы из излучателей Вивальди для измерения длины железобетонных свай, установленных в грунт.

Ключевые слова: антенна, дисперсионная характеристика, диаграмма направленности.

Abstract

The use of Vivaldi radiators with subsurface radar sounding material environments and objects

Е.L.Shoshin

Surgut state University of KHMAO-Yugra, Surgut, Russia

The paper considers the use of Vivaldi antenna in subsurface radar sounding of soils and engineering structures. The results of experimental studies of dispersion characteristics of the laboratory sample of the antenna at radiation in concrete are presented. The influence of soils on the energy characteristics of the radiator of antipodal type is analyzed. The application of the antenna system of Vivaldi emitters for measuring the length of reinforced concrete piles installed in the ground is considered.

Keywords: antenna, dispersion characteristic, directional diagram.

Введение

Развитие подповерхностной радиолокации способствует поиску антенн, способных формировать и принимать сверхширокополосные сигналы. К заслуживающим внимание можно отнести излучатели Вивальди (ИВ), которые благодаря градиентному расширению линии передачи способны работать в широком частотном диапазоне. Излучатели Вивальди имеют симметричный главный лепесток, хорошее усиление и демонстрируют низкий уровень боковых лепестков (УБЛ). Контур ИВ формируется на подложке. Направленные характеристики и дисперсионные свойства ИВ зависят от формы излучателя, его габаритов, а в случае подповерхностного зондирования на энергетические характеристики ИВ будут оказывать влияние почвогрунты. В дециметровом диапазоне длин волн зондируемые почвогрунты представляют собой сложные объекты, диэлектрическая проницаемость е и электропроводность у которых зависят от материала среды, частоты электромагнитного поля, плотности, пористости, влажности, температуры.

1. Характеристики излучения

Излучатель Вивальди антиподального типа (рисунок 1) конструктивно представляет собой печатный излучатель [1] в плоскости YOZ, построенный на основе щели с экспоненциальным профилем:

, (1)

, (2)

где -ширина щелевой линии в области возбуждения, - ширина щелевой линии на выходе антенны, - длина нерегулярной щелевой линии.

Рис. 1 Конструкция излучателя Вивальди

Рассмотрим применение ИВ для его работы в составе георадара в диапазоне частот 400 МГц - 800 МГц. Обоснуем выбор толщины подложки. Согласно [2] требование к эффективной толщине tэф подложки в случаях антенн с расширяющейся щелью определяется как:

 , (3)

где л0 длина волны в свободном пространстве, t толщина, а ?r - диэлектрическая проницаемость подложки. Согласно, условие направленной передачи сигналов антеннами с расширяющейся щелью имеет вид:

, (4)

Нижняя граница (4) связана с резким уменьшением коэффициента направленного действия антенны, а превышение верхней границы приводит к появлению нежелательных мод в подложке, которые способствуют увеличению боковых лепестков в диаграмме направленности антенны.

В качестве материала подложки выберем стеклотекстолит со значением диэлектрической проницаемости ?r=5.

Используя (3) и (4), выбираем подложку толщиной в 3 мм.

Целью параметрического синтеза конструкции ИВ поставим достижение минимальных значений коэффициента стоячей волны (КСВ) в заданном диапазоне частот с учётом требований по формированию направленных свойств излучателя в ближней зоне.

В качестве подповерхностной среды выберем бетон (е=4,5 и у=0,065 См/м). В таблице 1 приведены результаты численного расчёта параметров топологии излучателя, отвечающей заданным требованиям.

Таблица 1 Параметры топологии излучателя Вивальди

На рисунке 2 приведены диаграммы направленности ИВ при работе на различных частотах. Согласно результатам моделирования ширина основного лепестка диаграммы направленности для различных частот варьируется в пределах 600-800 в плоскости YOZ и 800-1000 в плоскости XOZ, при этом, уровень боковых лепестков (УБЛ) составляет -14…-5 дБ относительно основного излучения. Существенно уменьшить уровень боковых лепестков можно, размещая металлический экран между излучателем Вивальди и воздушной полусферой.

Рис.2 Диаграмма направленности излучателя Вивальди: а) частота 450 МГц; б) частота 550 МГц

На рисунке 3 приведены дисперсионные характеристики ИВ, полученные в ходе экспериментального исследования лабораторного образца антенны при излучении в воздух (кривая 1) и в бетонный пол (кривая 2). Измерения проводились векторным анализатором комплексных коэффициентов передачи ОБЗОР103.

Рис.3 Дисперсионная характеристика опытного образца излучателя Вивальди

Представленные результаты свидетельствуют о том, что определяемая согласно критерию КСВ<2 полоса рабочих частот ИВ в случае его излучения в бетонный пол составляет 320 - 1000 МГц.

3. Влияние почвогрунтов и воды на энергетические характеристики излучателя Вивальди

Подповерхностная среда оказывает существенное влияние на характер переносимых электромагнитных волн. На рисунке 4. приведена 3D диаграмма направленности излучателя Вивальди при излучении в сухой песок (е=4,5, tgд=0,065) и умеренно влажную глину (е=13, tgд=0,33). Сравнение рис.4а и рис.4б демонстрирует возникновение значительных деформаций главного лепестка диаграммы направленности (ДН), обусловленных значительной электропроводностью умеренно-влажной глины и возникающими при этом потерями переносимых электромагнитных волн.

Рис.4 ЗD диаграмма направленности антенны Вивальди в ближнем поле излучения: а) в сухой песок; б) в умеренно-влажную глину

Увеличение влажности дерновых почвогрунтов практически во всех случаях приводит к сужению главного лепестка диаграммы направленности ИВ, одновременно с этим увеличивается коэффициент направленного действия, который учитывает и направленные свойства ИВ, и степень рассогласования с линией питания. Результаты численного моделирования свидетельствуют, что при изменении влажности дерна от 6 до 30% на частоте 600 МГц главный лепесток диаграммы направленности излучателя сужается в 1,5 раза, при этом его КНД увеличивается на 50%, достигая значения 7,5 (рисунок 5а), а коэффициент Front-to-Back уменьшается, достигая значения 2 (рисунок 5б).

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.5 Влияние влажности грунта на характеристики направленности ИВ: а) зависимость КНД от влажности грунта; б) зависимость коэффициента front-to-back от влажности грунта

В таблице 2 приведены энергетические характеристики излучателей Вивальди антиподального типа, рассчитанные при подповерхностном зондировании в песочный грунт с различными значениями центральной рабочей частоты.

Таблица 2 Характеристики излучателей Вивальди

Примечание: для песочного грунта с диэлектрической проницаемостью 4 ..6

Отдельного рассмотрения требует анализ характеристик ИВ при излучении в воду. Электропроводные свойства воды определяются концентрацией растворённой в ней солями и изменяются в пределах у = 0,0002 См/м (для дистиллированной воды) и у = 4 См/м (для морской воды). Возникающая рассогласованность ИВ при его излучении в воду (е = 81) и значительная электропроводность солёной морской воды являются основными причинами, затрудняющими локализацию излучения в воду. В случае излучения в морскую воду уровень основного лепестка диаграммы направленности ИВ оказывается меньше уровня обратного излучения, если конструкцией антенны не предусмотрен экран между излучателем и воздушной полусферой. В таблице 3 приведены результаты численного расчета влияния электропроводности воды на характеристики ИВ при его излучении в воду на центральной частоте 300 МГц.

Таблица 3 Характеристики ИВ при излучении в воду

3. Антенная система из излучателей вивальди

Поляризацию радиолокационных сигналов принято выражать с использованием поляризационного базиса, при этом в качестве состояний поляризаций сигналов, излученных антенной, могут быть выбраны ортогональные линейные поляризации или ортогональные круговые поляризации, как наиболее часто используемые в практике радиолокационных измерений. Рассмотрим антенную систему, составленную из четырех излучателей Вивальди антиподального типа (рисунок 6). Каждый из излучателей Вивальди, входящий в состав антенного устройства, характеризуется линейной поляризацией принимаемого или излучаемого сигнала в основном лепестке своей диаграммы направленности. Система ИВ образует поляризационный базис, в котором пара излучателей 1-3 используется для излучения и приема сигналов линейно вертикальной поляризации (в плоскости XOY относительно оси OZ), а пара излучателей 2-4 используется для излучения и приема сигналов линейно горизонтальной поляризации.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.6 Антенная система из излучателей Вивальди.

Попарное расположение излучателей приводит к достижению положительного эффекта, заключающемуся в сложении магнитных полей излучателей, расположенных друг напротив друга. На рисунке 7 приведена 3D диаграмма направленности антенной системы, полученная для условий моделирования излучения сверхширокополосных сигналов в сухой песок. Результаты моделирования демонстрируют направленный характер каждого из излучателя в направлении оси Z.

Рис.7 3D диаграмма направленности антенной системы

Наряду с характеристиками направленности, рассматриваемая антенная система способна к излучению и приему поляризационно-модулированных сигналов. При этом, образующие поляризационный базис пары излучателей 1,3 и 2,4 будут формировать и осуществлять прием сверхкоротких сигналов линейной поляризации последовательно в первом и во втором полупериоде (Т) модуляционного цикла (Ц=2Т). Излучатели 1, 3 характеризуются горизонтальной поляризацией, а излучатели 2,4 - вертикальной поляризацией.

Приведем пример использования поляризационно-модулированных сигналов при проведении измерения длины установленных в грунт свай. На рисунке 8а приведена схема доступа антенной системы (1) к оголовку сваи (2), пригодного для измерений. Радиолокационное обследование реализуется с открытых боковых поверхностей оголовка сваи и включает в себя режим последовательного облучения установленной в грунт сваи электромагнитными волнами с линейными ортогональными поляризациями, что позволяет выполнить поляризационную обработку обратно-рассеянных сигналов.

Металлические штыри, образующие арматуру свай, будут хорошо отражать линейно-поляризованные электромагнитные волны, плоскость поляризации которых соответствует ориентации стержней арматуры, и слабо отражать линейно-поляризованные электромагнитные волны, плоскость поляризации которых образует перпендикуляр по отношению к направлению ориентации стержней арматуры. Отличие в уровне сигналов, рассеянных от металлических стержней, в зависимости от поляризации излученного сигнала, может составить 5-10 дБ, что позволяет отнести стержни к категории поляризационно-анизотропных объектов. Граница раздела «конец сваи-грунт» не содержит металлических включений, в следствии чего рассеивает сигналы, уровень которых некритичен к поляризации зондирующих импульсов, и потому может быть классифицирована как поляризационно-изотропный объект.

На рисунке 8б приведено радиолокационное изображение сваи, полученное на центральной частоте 700 МГц в режиме поляризационной модуляции зондирующих сигналов. Обработка принятых сигналов включала: накопление, компенсация затухания в почвогрунтах, формирование маски границ раздела поляризационно-изотропных сред, пространственная корреляционная обработка, формирование бинарного изображения, реконструкция границ раздела сред. На рисунке 8в приведены результаты определения длины сваи.

.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.8 Измерение длины установленной сваи: а) схема доступа к оголовку сваи; б) радарограмма; в) результат реконструкции

Заключение

Энергетические характеристики излучателей Вивальди позволяют их использовать для решения задач подповерхностной радиолокации. Электрофизические характеристики почвогрунтов, и, в существенной степени, влажность оказывают значительное влияние на коэффициент направленного действия, КПД и уровень боковых лепестков излучателей Вивальди. Образованная из ИВ антенная система в режиме поляризационной модуляции зондирующих сигналов способна осуществлять селекцию обратно-рассеянных сигналов от изотропных и анизотропных объектов, по результатам которой может быть определена длина установленной в грунт сваи.

Литература

1. Gibson, P. J., «The Vivaldi Aerial» Proc. 9th European Microwave Conf. Brighton, U.K, 1979.P. 101-105.

2. Wood, I., «Linear Tapered Slot Antenna for Imaging Arrays», Ph.D. dissertation, University of Victoria, USA, 2005.

References

1. Gibson, P. J., «The Vivaldi Aerial» Proc. 9th European Microwave Conf. Brighton, U.K, 1979.P. 101-105.

2. Wood, I., «Linear Tapered Slot Antenna for Imaging Arrays», Ph.D. dissertation, University of Victoria, USA, 2005.

Размещено на Allbest.ru