RU21116U1

RU21116U1 - ANTENNA DEVICE FOR GEORADAR

Info

Publication number: RU21116U1
Application number: RU2001109281/20U
Authority: RU
Inventors: С.В. Изюмов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ГеоСпецФизика"
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2001-12-20

Description

Антенное устройство для георадара. Н 01 Q 1/04GPR antenna device. H 01 Q 1/04

Изобретение относится к антенным устройствам и предназначено для использования в геофизике, геологии и строительстве, для зондирования короткими электромагнитными амщльсами подповерхностных слоев земли, например, для опережающего контроля строения грунта впереди забоя строящегося тоннеля, для выявления дефектов и трещин внутри бетонных или другргх строительных конструкций и сооружений, -для зондирования асфальтового покрытия и автодорожной насыпи и в прочих подобных случаях.The invention relates to antenna devices and is intended for use in geophysics, geology and construction, for sensing with short electromagnetic amplitudes of subsurface layers of the earth, for example, for advancing control of the soil structure in front of the face of a tunnel under construction, to identify defects and cracks inside concrete or other building structures and structures , for sensing asphalt pavement and road embankment and in other similar cases.

При работе георадара используются короткие электромагнитные видеоимпульсы, содержащие главным образом не более 2-3 основных пол ттериодов колебаний. Зондирование может проводиться как с поверхности земли, так и с поверхности забоя или стен строящегося тоннеля. Антенное устройство включает передающую и приёмную антенны, расположенные рядом на определённом расстоянии друг относительно фyгa, зависящем от требуемой глубины зондщ)ования и доступной площади поверхности. Антенны размещаются либо вплотную к поверхности грунта, либо на небольшом расстояшш от поверхности грунта.When operating a georadar, short electromagnetic video pulses are used, containing mainly no more than 2-3 basic half-oscillation tteriods. Sounding can be carried out both from the surface of the earth, and from the surface of the face or walls of the tunnel under construction. The antenna device includes transmitting and receiving antennas located nearby at a certain distance from each other, depending on the required probe depth and available surface area. Antennas are placed either close to the ground surface, or at a small distance from the ground surface.

При использовании ютротких видеоимпульсов возбуждения в антенне возникают собственные затухающие электромагнитные колебания (звон антенны). В дипольных антеннах они вызваны отражениями от концов вибратора. В щелевой антенне они являются результатом отражений от кондов щели, от краёв передней проводящей стенки с внепшей её стороны, обращённой к грутпу, и отражений внутри экранирующего короба. В результате излучения эти колебания обычно быстро затухают. При зонд фовашш необходимо иметь видеоимпульс, состоящий не более чем из 1-3 основных осщшлящш (пол}Т1ериодов), и все осщшляции кроме первой должны иметь по возможности меньшую а тлитуду. Часто первая осщшлящм максимальна по амплитуде. Все остальные осщ лляции, имеющие меньшую амплитуду, являются помехами, так как могут накладываться на другие отражённые сигналы, приходящие в близкие моменты времени от других объектов. Следовательно, для увеличения разрешающей способности радара необходимо повысить декремент затухания собственных колебаний антенн. Для этого обычно используются рсзистивныс нагрузки.When using a light video excitation pulse in the antenna, its own damped electromagnetic oscillations (ringing of the antenna) arise. In dipole antennas, they are caused by reflections from the ends of the vibrator. In a slot antenna, they are the result of reflections from the gaps of the slit, from the edges of the front conductive wall from its extremity side facing the group, and reflections inside the shielding box. As a result of radiation, these oscillations usually decay quickly. With a probe, it is necessary to have a video impulse consisting of no more than 1-3 main oscillators (gender} T1 periods), and all oscillations except the first should have the smallest possible amplitude. Often the first is maximal in amplitude. All other oscillations with a lower amplitude are noises, since they can be superimposed on other reflected signals arriving at other instants of time. Therefore, to increase the resolution of the radar, it is necessary to increase the attenuation decrement of the natural oscillations of the antennas. For this, resistive loads are usually used.

В георадиолокации применяются резистивно нагруженные вибраторные антенны, в частности с сопротивлением, распределённым вдоль плеч вибратора.In GPR, resistively loaded vibrator antennas are used, in particular with resistance distributed along the arms of the vibrator.

г Q О т г t) 9 2 81g Q O t g t) 9 2 81

H01Q 13/10H01Q 13/10

Антенны этого типа обладают высоким декрементом затухания собственных колебаний. Однако, такие антенны дают большой уровень излучения в обратном направлении, в сторону воздуха. Это излучение отражается от стен тоннеля, механизмов проходческого щитгц посторононоих предметов и даёт высокий уровень помех и ложных отражений при работе гсорадара. Вес это в конечном итоге сильно уменьшает чувствительность аппаратуры. Поэтому подобные антенны накрывают сверху дополнительным экраном в виде короба или рефлектора. Это даёт с}тцественное ослабление паразитного т л}чеШ1я в обратном направлении, а в случае рефлектора формирует более узкую диаграмму направленности в переднем направлении, в сторону грунта. Таким образом, для обеспечения помехозащищенности георадара необходима экранировка антенн.Antennas of this type have a high decrement of attenuation of their own oscillations. However, such antennas give a large level of radiation in the opposite direction, towards the air. This radiation is reflected from the walls of the tunnel, the mechanisms of the tunnel shield of foreign objects and gives a high level of interference and false reflections during the operation of the radar. Weight this ultimately greatly reduces the sensitivity of the equipment. Therefore, such antennas are covered from above with an additional screen in the form of a box or reflector. This gives a slight attenuation of the parasitic force in the opposite direction, and in the case of a reflector it forms a narrower directivity pattern in the forward direction, towards the ground. Thus, to ensure the noise immunity of the GPR, shielding of the antennas is necessary.

В антенной технике известны антенны, предназначенные для подземной радиолокации и имеющие экраны. Устройство экранирования антенн описано в авторском свидетельстве СССР 229616, кл. Н 01 Q 15/14, 1969 г.Antennas for underground radar and having screens are known in the antenna technique. The antenna shielding device is described in the USSR copyright certificate 229616, class. H 01 Q 15/14, 1969

Недостатками данного устройства являются большой вес и большие габариты, так что данное устройство невозможно использовать в тоннелях.The disadvantages of this device are its large weight and large dimensions, so this device cannot be used in tunnels.

Известно также антенное устройство с рефлектором по патенту Российской Федерации 2117368, ют Н 01 Q 19/13, 1998 г.Also known antenna device with a reflector according to the patent of the Russian Federation 2117368, ut H 01 Q 19/13, 1998

Антенное устройство по з азанному патенту выбрано в качестве прототипа. Устройство содержит резистивно нагруженный дипольный вибратор, отражатель в виде параболоида, в фокусе которого находится вибратор. Внутренняя полость отражателя заполнена средой, близкой по диэлектрической проницаемости к исследуемой среде.The patented antenna device is selected as a prototype. The device contains a resistively loaded dipole vibrator, a reflector in the form of a paraboloid, the focus of which is the vibrator. The internal cavity of the reflector is filled with a medium close in dielectric constant to the medium under study.

Первый недостаток заключается в больших габаритах, так что два таких устройства невозможно размещать рядом на поверхности забоя в тоннеле.The first drawback is the large size, so two such devices cannot be placed side by side on the surface of the face in the tunnel.

Предложенное в патенте решение ослабления прямого излучения вибратора за счёт поглотителя малоэффективно по следуюпщм причинам. Если проводиА-юсть матерр1ала поглотителя велика, в результате дифракщ-ш излучение обойдёт стороной поглотитель. Чтобы этого не произошло, поперечные размеры поглотителя долгжны бьтть достаточно велики в долях длины волны, но при этом он сильно перекроет основное излучение от рефлектора. Если проводимость материала поглотителя не будет большой, придётся увеличивать тоттттшяу слоя поглотителя и также увеличивать его поперечные размеры.The solution proposed in the patent to attenuate direct vibrator radiation due to an absorber is ineffective for the following reasons. If the conductivity of the absorber material is large, as a result of the diffraction radiation will bypass the absorber. To prevent this, the transverse dimensions of the absorber must be large enough in fractions of the wavelength, but at the same time it will greatly block the main radiation from the reflector. If the conductivity of the material of the absorber is not large, it is necessary to increase the thickness of the layer of the absorber and also increase its transverse dimensions.

Имеется также недостаток, заключающийся в возможностр появления последовате.11ьности паразитных сигналов, возникающей при переотражениях между отражателем и поверхностью в тех случаях, когда дролектрртческая пронрщаемость грунта и матерр1ала, заполняющего рефлектор, заметно различаются и потери в диэлектрике, заполняющем рефлектор, недостаточноThere is also a disadvantage in the possibility of the occurrence of a sequence of spurious signals arising from re-reflections between the reflector and the surface in those cases when the drolektrtic penetration of the soil and the material filling the reflector are noticeably different and the losses in the dielectric filling the reflector are not enough

велики. Такие переотражения иметь место nppi наличии воздушного зазора между антенной и поверхностью. Этот воздушный зазор неизбежен при неровности поверхности. Наличие этих переотражений затрудняет правильную интерпретацию реззльтатов зондироваш1я.are great. Such reflections occur nppi the presence of an air gap between the antenna and the surface. This air gap is inevitable when the surface is uneven. The presence of these reflections makes it difficult to correctly interpret the results of probing.

Ещё одним недостатком является вырез в рефлекторе, служащий для уменьшения звона антенны. Через этот вырез излучение будет идти в сторону воздуха, и этот вырез ослабляет экраш-фующее свойство рефлектора.Another drawback is the cutout in the reflector, which serves to reduce the sound of the antenna. Through this cut-out, the radiation will go towards the air, and this cut-out weakens the reflecting property of the reflector.

Общими признаками заявленного решения и }тсазанного прототипа являются следуюпще признаки:Common features of the claimed solution and} of the prototype described are the following signs:

антеьшое устройство для георадара, содержит аналогичные передающую и приёмную антенны. каждая из которых имеет. соответственно, электропроводящие излучаюпщй и приёмный элементы, средство экранирования в виде короба и резистивн гю нагрузку.A device for ground penetrating radar, contains similar transmitting and receiving antennas. each of which has. accordingly, electrically conductive emitting and receiving elements, shielding means in the form of a box and resistive load.

Решаемой технической задачей является создание компактного антенного устройства, излучающего и принимающего видеоимпульс главным образом в направлении грунта, экранированного от помех и отражений со стороны объектов, находяпщхся в воздухе, с высоким декрементом затухания собственных электромагшггных колебаний антенн, и поэтому обеспечивающего высокую разрешающую способность , с высокой развязкой между передающей и приёмной антеннами.The technical problem to be solved is the creation of a compact antenna device that emits and receives a video pulse mainly in the direction of the soil, shielded from interference and reflections from objects located in the air, with a high attenuation decrement of its own electromagnetic oscillations of the antennas, and therefore providing high resolution with high isolation between transmitting and receiving antennas.

Достижение указанного результата обеспсч шастся тем, что: антенное устройство для георадара, содержит аналогичные передающую и приёмную антенньт, каждая из которых имеет, соответственно., электропроводящие излучаюпцш и приемный элементы, средство экран фования в виде короба и резистивную нагрузку, причём излучаюпщй и приёмный элементы выполнены в виде пластин, в каждой рв которых образованы восьмёркообразная прорезь, и направленные к центральной части прорези, лепестки, являющиеся частями каждой из проводящих пластин, каждое средство экранирования электрически соедршено по периметру с соответствующей проводящей пластиной, отношение продольных и поперечных по ориентации к линии, соединяютцей центральные з астки восьмеркообразньтх прорезей, размеров А и В, соответственно, короба выбрано в пределах А/В 0.5-2, велич ша меньшего из этих размеров составляет 0.04-0. где К - средняя дщша волны спектра излучаемого импульса, высота короба составляет не менее 0.005 от наибольшего из размеров А ИЛР1 В. отношенрге максршальных продольных И/Р1ЛР1 поперечных соответственно, размеров передающей и приёмной антенн находятся в пределах 0.2-5, продольные оси прорезей ориентированы под углом от О до 90 кThe achievement of this result is ensured by the fact that: the antenna device for ground penetrating radar contains similar transmitting and receiving antennas, each of which has, respectively, electrically conductive emitting and receiving elements, screening means in the form of a box and a resistive load, and the emitting and receiving elements made in the form of plates, in each ditch of which an eight-shaped slot is formed, and directed to the central part of the slot, petals, which are parts of each of the conductive plates, each means the shielding is electrically connected around the perimeter with the corresponding conductive plate, the ratio of longitudinal and transverse in orientation to the line connects the central spouts of eight-shaped slots, sizes A and B, respectively, the box is selected within A / B 0.5-2, the smaller of these sizes is 0.04-0. where K is the average wavelength of the spectrum of the emitted pulse, the height of the duct is at least 0.005 of the largest of the dimensions A ILR1 B. The ratio of the maximum longitudinal I / R1LR1 transverse, respectively, the dimensions of the transmitting and receiving antennas are in the range 0.2-5, the longitudinal axis of the slots are oriented under angle from O to 90 to

линии, соединяющей центральные участки прорезей и составляют между собой угол не более 50 градусов.a line connecting the central sections of the slots and make up an angle of no more than 50 degrees.

При этом проводящие пластины со стороны, обращённой к поверхности исследуемого объекта, снабжены зашжными диэлектрическими пластинами,In this case, the conductive plates from the side facing the surface of the test object are provided with tail-mounted dielectric plates,

антенны размещены на общем диэлектрическом основании с образованием между ними изолирующего промеж}тка,antennas are placed on a common dielectric base with the formation of an insulating gap between them,

центральные участки прорезей находятся на расстоянии не более четырёх суммарных продольных размеров приёмной и передающей антенн, при этом углы между продольными осями прорезей и линией, соединяющей центральные участки прорезей, находятся в пределах от 30 до 60 градусов.the central sections of the slots are located at a distance of not more than four total longitudinal dimensions of the receiving and transmitting antennas, while the angles between the longitudinal axes of the slots and the line connecting the central sections of the slots are in the range from 30 to 60 degrees.

прорези имеют форму двух треутольников, обращённых вершинами встречно, а продольные оси прорезей расположены под углом не более 15 градусов к линии, соединяющей центральные участки прорезей,the slots have the shape of two treutolniks facing the vertices in the opposite direction, and the longitudinal axis of the slots are located at an angle of no more than 15 degrees to the line connecting the central sections of the slots,

ось симметрии антенного устройства совпадает с лршией, соединяющей центральные участки прорезей, а антенны размещены на общем диэлектрическом или металлическом основании,the axis of symmetry of the antenna device coincides with the flap connecting the central sections of the slots, and the antennas are placed on a common dielectric or metal base,

антенны электрически соединены металлическим проводником, вдоль оси симметрии антенного устройства,antennas are electrically connected by a metal conductor, along the axis of symmetry of the antenna device,

устройство снабжено размещёными в полости короба генератором и/или приёмником сигналов, подключёнными в зком центральном частке гфорези между лепестками,the device is equipped with a signal generator and / or receiver located in the cavity of the box, connected in the viscous central part of the phoresis between the petals,

подключение генератора и/или приёмника к лепесткам выполнено посредством коаксиальных фидеров, внутренний и внешний проводники каждого коаксиального фидера подключены в узком центральном участке прорези, соответственно, к одном и другому лепесткам, причем внешнрш проводник фидера электрически подключен по всей длине к соответствующему лепестку и к внутренней поверхности экранирующего короба,the generator and / or receiver are connected to the petals by means of coaxial feeders, the internal and external conductors of each coaxial feeder are connected in a narrow central section of the slot, respectively, to one and the other petals, and the external feeder conductor is electrically connected along the entire length to the corresponding petal and to the internal the surface of the shielding box,

генератор и/или приёмник размешены в полости короба или на внешней поверхности короба,the generator and / or receiver are placed in the cavity of the box or on the outer surface of the box,

устройство снабжено последовательно включённым между центральным проводником коаксиального фидера и соответств тощ1ш ему лепестком, сопротивлением,the device is equipped with a series-connected between the Central conductor of the coaxial feeder and corresponding to it with a petal, resistance,

в каждом коробе выполнено отверстие для прохождения соответствующего фидера от антенн к приёмнику или генератору, которое размещено на расстоянии от центрального участка прорези не более 0.2 в долях от наибольшего продольного или поперечного размера антенны, а фидеры снабжены коаксиальными разъёмами.in each box there is a hole for the passage of the corresponding feeder from the antennas to the receiver or generator, which is placed at a distance from the central section of the slot no more than 0.2 in fractions of the largest longitudinal or transverse size of the antenna, and the feeders are equipped with coaxial connectors.

коаксиальные разъёмы размещены в соответствующем отверетии короба,coaxial connectors are located in the corresponding hole of the box,

устройство дополнительно снабжено подключенным в узкой центральной части прорези между лепестками, одаим шш несколькими шунтрфуюшимиthe device is additionally equipped with a slot between the petals connected in the narrow central part of the slot, we will feed several shunts

сопротивлениями, так чтобы результирующее активное сопротивление полной нагрузки антенны не превышало 100 Ом.resistances, so that the resulting active resistance of the antenna’s full load does not exceed 100 Ohms.

что внутренний объём экранирующего короба заполнен резистивным материалом с проводимостью в пределах 0.02-0.5 Сименс/метр.,that the internal volume of the shielding box is filled with resistive material with a conductivity in the range 0.02-0.5 Siemens / meter.,

устройство снабжено оптической или оптоволоконной линией связи для подачи видеоимпульса между приёмником и генератором, синхронизирующего их работу.the device is equipped with an optical or fiber-optic communication line for supplying a video pulse between the receiver and the generator, synchronizing their work.

Предлагаемая совокупность существенных признаков определяется исходя из следующего.The proposed set of essential features is determined based on the following.

Средство экранирования, выполненоное в форме проводящего короба, электрически соединено по его периметру с передней стенкой антенны. Благодаря этому излучение, идущее внутрь короба и распространяющееся вдоль излучающих проводящих элементов, не выходит из под краёв короба. Передняя стенка антенны (проводяпще пластины) обращена в сторону грунта. Для защиты антенны от повреждений и от окружающей среды при работе антенного устройства в непосредственном контакте с исследуемой средой предусмотрено покрытие передней стенки антенны пластиной из диэлектрика.The shielding means, made in the form of a conductive box, are electrically connected along its perimeter with the front wall of the antenna. Due to this, the radiation going inside the box and propagating along the radiating conductive elements does not come out from under the edges of the box. The front wall of the antenna (conductive plate) is facing the ground. To protect the antenna from damage and from the environment when the antenna device is in direct contact with the test medium, a front dielectric coating is provided for the antenna wall.

Основные габаритные размеры короба - то есть продо.пиьные- А и поперечные- В, по ориентации к линии, соедршяющей центральные частки восьмёркообразных прорезей и длина щели (восьмёркообразной прорези) составляют щ)иблизительно 0.04-0.3-Х, где X - средняя длина волны спектра излучаемого импульса. Больщая ширина этого диапазона определяется разнообразием значений диэлектрической проницаемости rpvina, на котором может работать антенное устройство. Если антенна вплотн}то прижата к гр}-тт, длина щели и габаритные размеры короба составляют около 0.3-0.4-лгр, где А.гр - упомянутая средняя длина волны спектра с учётом замедления в грунте: А.гр A,/Re(Vs). Диапазон возможных значений комплексной диэлектрической проницаемости грунта s на длине волны 256 см (характерная средняя длрша волны спектра импульса радара, работающего в тониеле) простирается от « 4 (сухой песок) до значений 15+/-2 (водонасыщенный песок) и примерно 30+/-30 (влажная глина). При более низкой средней частоте диапазона радара замедление Re(VE) в грунте ещё более возрастает за счёт роста мнилюй части с, которая растёт с понижением частоты. Если антенна пр1шоднята над поверхностью грунта, средняя частота диапазона работы антенного устройства повышается до « 0.3-0.4-л.The main overall dimensions of the box - that is, the fore-A and transverse-B, in orientation to the line connecting the central parts of the eight-shaped slots and the length of the slit (eight-shaped slots) are u) and approximately 0.04-0.3-X, where X is the average wavelength spectrum of the emitted pulse. The large width of this range is determined by the variety of rpvina permittivity values on which the antenna device can operate. If the antenna is closely} then pressed to gr} -tt, the length of the slit and the overall dimensions of the box are about 0.3-0.4-lgr, where A.gr is the mentioned average wavelength of the spectrum taking into account deceleration in the ground: A.gr A, / Re ( Vs). The range of possible values of the complex permittivity of the soil s at a wavelength of 256 cm (typical average wavelength of the spectrum spectrum of a pulse of a radar operating in toniel) extends from "4 (dry sand) to values 15 +/- 2 (water-saturated sand) and approximately 30 + / -30 (wet clay). At a lower average frequency of the radar range, the deceleration of Re (VE) in the soil increases even more due to the growth of the small part of c, which increases with decreasing frequency. If the antenna is elevated above the ground surface, the average frequency of the range of operation of the antenna device rises to "0.3-0.4-l.

По мере уменьшения высоты короба рабочий частотный диапазон антенного устройства сдвигается в область более высоких частот. Кроме того, при уменьшении высоты менее 0.01 от размеров антенны происходит заметноеAs the height of the box decreases, the working frequency range of the antenna device shifts to higher frequencies. In addition, with a decrease in height of less than 0.01 from the size of the antenna, a noticeable

увеличение доли энергии, поступающей в короб из центральной части щели. В отсутствие заполнения короба антенны резистивным материалом это приводит к ухудшению импульсной характеристики антенного устройства. В случае резистргвного заполнения з мгеньшается КПД антенны.increase in the proportion of energy entering the box from the central part of the gap. In the absence of filling the antenna box with resistive material, this leads to a deterioration in the impulse response of the antenna device. In the case of resistive filling, the antenna efficiency decreases.

Например, радар, используемый для опережающего зондирования грунта при проходке тоннелей имеет диапазон частот спектра импульса от 50-70 до 200-300 МГц, антенна имеет размеры около 0.3-0.5 м. высота короба 5-10 см, минимальное расстояние между центрами антенн составляет 0.6-1.2 м. В радаре, использующемся при зондировании строительных конструкций антенны имеют размеры около 8-16 см, высота короба 1-4 см, расстояние между центрами антенн -1.2-1.5 от размера антенн.For example, the radar used for advanced sounding of the soil during tunneling has a frequency range of the pulse spectrum from 50-70 to 200-300 MHz, the antenna has dimensions of about 0.3-0.5 m. The height of the box is 5-10 cm, the minimum distance between the centers of the antennas is 0.6 -1.2 m. In the radar used to probe building structures, the antennas have dimensions of about 8-16 cm, the height of the box is 1-4 cm, the distance between the centers of the antennas is -1.2-1.5 of the size of the antennas.

Переотражения внутри короба и возможные резонансы короба практически не влияют на работу устройства. То есть в излучаемом сигнале не проявляется звон на характерной частоте короба. Это достигается выбором конструкции антенны. При работе антенн на грунте или на малом расстоянии от грзшта рабочий частотный диапазон антенного устройства таков, что длина волны основного резонанса экранирующего короба существенно меньше средней длины волны рабочего диапазона. Поэтому волна, идущая внутри короба вдоль проводящих излучающих элементов и отражённая от боковой стенки короба сливается с общим электромагнитным колебанием антенны и не выглядит как отде.льнос отражение. Поступившее в короб поле достаточно быстро затухает за излучения через щель, а после отражения от стен короба - в результате потерь в сопротивлении нагрузки антенны, подключённой в центральной узкой части щели. Нагрузкой антенн служат фидеры или непосредственно генератор и приёмник, а также дополнительные щунтирующ ю сопротивлешю, подключаемые между краями щели в центральной узкой части щели. Для ещё бо.11ьшего подавления электромагнитных колебаний внутри короба внутренняя полость короба может заполняться резистивным материалом. Кроме того, если антенна вплотную прижата к грунту или находится на малой высоте, не превышающей примерно 0.02-0.04 от максимального габаритного поперечного размера антенны, большая доля энергрш сразу радёт в сторону грунта и излучается. Меньшая доля идёт в сторону короба. Фактически, собственные колебания поля внутри короба не проявляются отдельно и являются частью общих электромагнитных колебаний всей конструтодш антенны.Reflections inside the box and possible resonances of the box practically do not affect the operation of the device. That is, the ringing does not manifest ringing at the characteristic frequency of the box. This is achieved by the choice of antenna design. When the antennas work on the ground or at a small distance from the receiver, the working frequency range of the antenna device is such that the wavelength of the main resonance of the shielding box is significantly less than the average wavelength of the working range. Therefore, the wave traveling inside the box along the conducting radiating elements and reflected from the side wall of the box merges with the general electromagnetic oscillation of the antenna and does not look like a separate reflection. The field received in the box attenuates rather quickly due to radiation through the gap, and after reflection from the walls of the box - as a result of losses in the load resistance of the antenna connected in the central narrow part of the gap. The antennas are loaded with feeders or directly with the generator and receiver, as well as additional shunt resistors connected between the edges of the slot in the central narrow part of the slot. For even greater suppression of electromagnetic oscillations inside the box, the internal cavity of the box can be filled with resistive material. In addition, if the antenna is closely pressed to the ground or is located at a low height, not exceeding approximately 0.02-0.04 of the maximum overall transverse dimension of the antenna, a large proportion of energy immediately pleases towards the ground and is emitted. A smaller proportion goes towards the box. In fact, the natural oscillations of the field inside the box do not appear separately and are part of the general electromagnetic oscillations of the entire antenna structure.

Если антенна отодвинута от грунта на расстояние более 0.2 от поперечного размера антенн, частоты, на которых работает антенное устройство, сильно повышаются, и отражение указанной волны, идущей внутри короба, от боковых стен короба может ухудшить форму видеоимпульсного сигнала антенного устройства. Для подавления этой волны предусматривается заполнение внлтренней полости короба резистивным материалом.If the antenna is removed from the ground by a distance of more than 0.2 from the transverse size of the antennas, the frequencies at which the antenna device operates are greatly increased, and the reflection of the indicated wave going inside the box from the side walls of the box can worsen the shape of the video pulse signal of the antenna device. To suppress this wave, the internal cavity of the duct is filled with resistive material.

Для обеспечения высокого декремента затухания собственных колебаний конструкции антенн, антенны нафужены на сопротивления не более 30-100 Ом. Для этого между сторонами щели в центральной зкой части щели могут подключаться дополнительные сопротивления параллельно фидеру, приёмнику или генератору. Для достижения той же цели внутренняя часть антенны между экражфующим коробом и проводящей пластршой может заполняться резистивным материалом с проводимостью в пределах 0.02-0.5 См/м .To ensure a high decrement of the attenuation of the natural vibrations of the antenna design, the antennas are fused to resistance no more than 30-100 Ohms. For this, between the sides of the slot in the central viscous part of the slot, additional resistances can be connected parallel to the feeder, receiver, or generator. To achieve the same goal, the inner part of the antenna between the shielding box and the conductive plaster can be filled with resistive material with a conductivity in the range of 0.02-0.5 S / m.

К возбуждению паразитных электромагнитных колебаний всего антенного устройства может приводить соед шение антенн металлическими конструкциями, особенно тонкими проводниками. Поэтому для предотвращения таких паразитных колебаний антенны целесообразно крепить на общем диэлектрическом основании. Если приёмник и генератор объединены в единые блоки с антеннами, передачу видеоимпульса синхронизации между приёмником и генератором целесообразно осутцествлять посредством оптической lum оптоволоконной линии связи, с тем чтобы избежать протягивания фидера с металлическим внешним проводником между антеннами. Отведение коаксиальных фидеров через отверстие в коробе, может пр юодкть к возбуждешпо паразитных токов на внещних проводниках фидеров. Поэтому точка отведения фидеров должна располагаться вблизи к центру антенн или вблизи к оси симметрии антенны, если она совпадает с осью щели.The coupling of antennas with metal structures, especially thin conductors, can lead to spurious electromagnetic oscillations of the entire antenna device. Therefore, to prevent such spurious oscillations of the antenna, it is advisable to mount on a common dielectric base. If the receiver and the generator are combined into single blocks with the antennas, it is advisable to transmit the synchronization video pulse between the receiver and the generator using an optical lum fiber-optic communication line in order to avoid pulling the feeder with a metal external conductor between the antennas. Leaving coaxial feeders through an opening in the box can lead to excitation of stray currents on external feeder conductors. Therefore, the feed point of the feeders should be located close to the center of the antennas or close to the axis of symmetry of the antenna, if it coincides with the axis of the slit.

Подавление собственных колебаний антенн обеспечивается подключением кабеля с волновым сопротивлением не более 50-100 Ом, а также дополнительного шунтирующего сопротивления между краями щели, так чтобы результирующее сопротивление кабеля и сопротрюления не превышало 30-50 Ом.The suppression of the natural oscillations of the antennas is ensured by connecting a cable with a wave impedance of not more than 50-100 Ohms, as well as an additional shunt resistance between the edges of the slit, so that the resulting resistance of the cable and friction does not exceed 30-50 Ohms.

Для уменьшения электромагнитной связи между антеннами щели повёрнуты на определёьшый угол в диапазоне от О до 90° по отношению к линии, соедршяющей центры антенн.To reduce the electromagnetic coupling between the antennas, the slots are rotated by a certain angle in the range from 0 to 90 ° with respect to the line connecting the centers of the antennas.

Для предотвращения возбуждения паразитных колебаний всего антенного устройства как целого, антенны не имеют непосредственного электрического контакта друг с другом, например, прикреплены к общему дтолектрическому основанию с образованием между ними изолирующего промежутка, либо антенное устройство выполнено симметричным, так что эта ось симметрии совпадает с линией, соединяющей центры антенн.To prevent the generation of parasitic vibrations of the entire antenna device as a whole, the antennas do not have direct electrical contact with each other, for example, they are attached to a common dtelectrical base with the formation of an insulating gap between them, or the antenna device is symmetrical so that this axis of symmetry coincides with the line, connecting the centers of the antennas.

Изобретение поясняется графически.The invention is illustrated graphically.

На фиг. 1 показан вид сверху на антенное ,разрез по А-А,In FIG. 1 shows a top view of the antenna, a section along aa,

устройство со снятым экранирующим электропроводящим коробом. На фиг.2 показан разрез по Б-Б антеноного устройства, представленного на фиг. 1. На фиг.3-разрез по С-С на фиг. 1.(повернуто).device with removed shield conductive box. 2 shows a section along BB of the antenna device of FIG. 1. In FIG. 3, a section along CC in FIG. 1. (rotated).

Антенное устройство для георадара, содержит аналогичные передающую -1 и приёмную - 2 антенны, каждая из которых имеет, соответственно, электропроводящие излучающий и приёмный элементы, средство экранирования в виде короба - 3 и короба 4 и резистивную нагрузку.The antenna device for ground penetrating radar contains the same transmitting -1 and receiving - 2 antennas, each of which has, respectively, electrically conductive radiating and receiving elements, shielding means in the form of a box - 3 and box 4 and a resistive load.

Излучаюпщй и приёмный элементы выполнены в виде пластины -5, пластины - 6, в каждой из которых, соответственно, образованы восьмёркообразные прорезь - 7,The emitting and receiving elements are made in the form of a plate -5, a plate - 6, in each of which, respectively, an eight-shaped slot - 7,

прорезь - 8, и направленные к узким центральным частям (З асткам) 9 и 10 прорези, лепестки 11,12и13,14, являющиеся частями каждой из проводящих пластин 5,6.the slot is 8, and the slots directed towards the narrow central parts (3) are 9 and 10, the petals 11,12 and 13,14, which are parts of each of the conductive plates 5,6.

Каждое средство экранирования электрически соединено по периметру с соответствующей проводящей пластиной, отношение продольных и поперечных по ориентации к линии - 15, соединяющей центральные участки восьмеркообразных прорезей, размеровEach shielding means is electrically connected around the perimeter with a corresponding conductive plate, the ratio of longitudinal and transverse in orientation to the line is 15, connecting the central sections of the eight-shaped slots, sizes

А и В, соответственно, короба выбрано в пределах А/В 0.5-2, величина меньшего из этих размеров составляет 0.04-0.3-Л,, где Л, средняя длина волны спектра излз аемого импульса, высота короба составляет не менее 0.005 от наибольщего из размеров А или В, отношение максимальных продольных и/или поперечных соответственно, размеров передающей и приёмной антенн находятся в пределах 0.2-5, продольные оси прорезей 20,21 ориентированы под углом от О до 90 градусов к линии -15, соединяющей центральные З астки прорезей и составляют между собой угол не более 50 градусов.A and B, respectively, the box is selected within A / B 0.5-2, the smaller of these sizes is 0.04-0.3-L, where L is the average wavelength of the spectrum of the emitted pulse, the height of the box is at least 0.005 of the largest sizes A or B, the ratio of the maximum longitudinal and / or transverse, respectively, sizes of the transmitting and receiving antennas are in the range of 0.2-5, the longitudinal axis of the slots 20,21 are oriented at an angle from 0 to 90 degrees to the -15 line connecting the central Z of the slots and make up an angle of no more than 50 degrees.

Под осью симметрии восьмёркообразной прорези следует понимать линию, проходящую через центры тяжести,(Ц.Т.) двух составных частей восьмёркообразной прорези, расположенные по разные стороны от узкой центральной части восьмёркообразной прорези.The axis of symmetry of the eight-shaped slot should be understood as the line passing through the centers of gravity, (C.T.) of the two components of the eight-shaped slot located on different sides from the narrow central part of the eight-shaped slot.

Нри этом проводящие пластины со стороны, обращенной к поверхности исследуемого объекта, снабжены одной или двумя защитными диэлектрическими пластинами 16,(17),At the same time, the conductive plates from the side facing the surface of the test object are equipped with one or two protective dielectric plates 16, (17),

антенны размещены на общем диэлектрическом основании 18с образованием между ними изолирующего промежутка -19,the antennas are placed on a common dielectric base 18 with the formation between them of an insulating gap -19,

центральные участки прорезей находятся на расстоянии не более четырех суммарных продольных размеров А и В приёмной и передающей антенн, при этом углы между продольнымиthe central sections of the slots are at a distance of not more than four total longitudinal dimensions A and B of the receiving and transmitting antennas, while the angles between the longitudinal

прорези MorjT MAfCTb форму двзх треугольников, обращённых вершинами встречно, а продольные оси прорезей при этом могут расположены под углом не более 15 градусов к линии -15, соединяющей центральные участки прорезей,the MorjT MAfCTb slots are in the form of two triangles facing the vertices in the opposite direction, while the longitudinal axes of the slots can be located at an angle of no more than 15 degrees to the -15 line connecting the central sections of the slots,

антенное устройство может быть выполнено симметричным, так что эта ось симметрии совпадает с линией, соединяющей центральные участки прорезей, при этом антенны могут быть размещены на общем диэлектрическом или металлическом основании,the antenna device can be symmetrical, so that this axis of symmetry coincides with the line connecting the central sections of the slots, while the antennas can be placed on a common dielectric or metal base,

антенное устройство может быть выполнено симметричным, так что эта ось симметрии совпадает с линией, соединяющей центральные участки прорезей, при этом антенны могут бьггь электрически соединены металлическим проводником, идущим вдоль оси симметрии антенного устройства,the antenna device can be symmetrical, so that this axis of symmetry coincides with the line connecting the central sections of the slots, while the antennas can be electrically connected by a metal conductor running along the axis of symmetry of the antenna device,

устройство может быть снабжено размещёными в полости короба 3,4 генератором и/или приёмником (не показаны) сигналов, подключёнными в узком центральном участке 9 (10) прорези между лепестками,the device can be equipped with a 3.4 generator and / or receiver (not shown) located in the box cavity 3.4 connected to a slot between the petals in a narrow central section 9 (10),

подключение генератора и/или приёмника к лепесткам выполнено посредством коаксиальных фидеров 22,23, внутренний 24,25 и внеппшй 26,27 проводники каждого коаксиального фидера подключены в узком центральном участке прорези, соответственно, к одному и другому лепесткам, причём внепший проводник фидера электрически подключён по всей длине к соответствующему лепестку и к внутренней поверхности экранирующего короба,the generator and / or receiver are connected to the petals by means of coaxial feeders 22,23, internal 24,25 and extra 26,27 conductors of each coaxial feeder are connected in a narrow central section of the slot, respectively, to one and the other petals, and the incoming feeder conductor is electrically connected along the entire length to the corresponding lobe and to the inner surface of the shielding box,

генератор и/или приёмник могут быть размещены в полости короба или на внепшей поверхности короба,the generator and / or receiver can be placed in the cavity of the box or on the extraneous surface of the box,

устройство может быть снабжено последовательно включённым между центральным проводником коаксиального фидера и соответствующим ему лепестком, сопротивлением 28,29,the device can be equipped with a series-connected between the Central conductor of the coaxial feeder and its corresponding lobe, a resistance of 28.29,

в каждом коробе выполнено отверстие 30,31 для прохождения соответствующего фидера от антенн к приёмнику или генератору, которое размещено на расстоянии от центрального участка прорези не более 0.2 в долях от наибольшего продольного или поперечного размера антенны, а фидеры могут быть снабжены коаксиальными разъёмами 32,33, которые размещены вблизи,или в соответствующем отверстии короба,a hole 30.31 is made in each box for passing the corresponding feeder from the antennas to the receiver or generator, which is placed at a distance from the central section of the slot not more than 0.2 in fractions of the largest longitudinal or transverse size of the antenna, and the feeders can be equipped with coaxial connectors 32.33 which are placed close to, or in the corresponding opening of the box,

устройство дополнительно снабжено подключённым в узкой центральной части прорези между лепестками, одним или несколькими шунтирующими сопротивлениями 34,35, так чтобы результирующее активное сопротивление полной нагрузки антенны не превышало 100 Ом,the device is additionally equipped with one or more shunt resistances 34.35 connected in the narrow central part of the slot between the petals, so that the resulting active resistance of the antenna’s full load does not exceed 100 Ohms,

устройство может быть снабжено оптической или оптоволоконной линией связи (не показаны) для подачи видеоимпульса между приёмником и генератором, синхронизирующей, их работу.the device can be equipped with an optical or fiber optic communication line (not shown) for supplying a video pulse between the receiver and the generator, synchronizing their operation.

Работа антенного устройства для радиолокации происходит следующим образом. Антенны размещаются либо непосредственно на поверхности исследуемой среды, либо на небольшом расстоянии от поверхности, обычно не более 0.02-0.04 от максимального габаритного (продольного или поперечного) размера антенны. В некоторых случаях, при неглубоко расположенных объектах или при низких потерях в грунте можно располагать антенны на большем расстоянии от поверхности. Короткий видеоимпульс генератора, содержащий главным образом один основной пик, или ступенчатый импульс с коротким передним фронтом подаётся на вход передающей антенны непосредственно или через фидер. Импульс излучается передающей антенной, поступает в исследуемую среду, отражается от объекта зондирования и поступает на приёмную антенну, затем на приёмште. Именно такой ртмпульс, отражённый, например, от проводящей плоскости, расположенной в группе, и принятый приёмником, считается импульсной характеристикой антенного устройства в отношении полезного сигнала.The operation of the antenna device for radar is as follows. Antennas are placed either directly on the surface of the medium under study or at a small distance from the surface, usually no more than 0.02-0.04 from the maximum overall (longitudinal or transverse) size of the antenna. In some cases, with shallow objects or with low losses in the ground, you can place antennas at a greater distance from the surface. A short video pulse of the generator, containing mainly one main peak, or a step pulse with a short leading edge, is fed to the input of the transmitting antenna directly or through a feeder. The pulse is emitted by the transmitting antenna, enters the test medium, is reflected from the sensing object, and arrives at the receiving antenna, then at the receiver. It is such a pulse that is reflected, for example, from a conducting plane located in the group and received by the receiver, which is considered to be the impulse response of the antenna device with respect to the useful signal.

Одновременно с излучением полезного сигнала передающей антенной в грунт происходит отражение части энергии поля от краёв передней стенки антенны, что даёт паразитную осциллящпо излучаемого сигнала. Некоторая небольшая часть энерпш за счёт дифракции огибает экрашфующий короб антенны и даёт паразитное излучение в сторону воздуха. Электромагнрггное поле поступает также внутрь короба, распространяется как в направлениях к концам прорези (щели), частично проникая через щель в грунт, так PI между задней стенкой короба и проводщцими излучающими элементами. Затем эти волны достигают боковых стенок короба и отражаются обратно. Попадая обратно в центральную часть антенны эти волны поглощаются в нагрузке антенны. Эти волны вместе с волнами, отражёнными от концов щели и от краёв передней стороны антенны, состав.11яют вместе паразитные собственные колебания антенны, которые, однако, быстро затухают за счёт потерь на 1случеш1е, потерь в нагрззке антенны и в резистивном материале, наполняющем короб. Конструкция антенн обеспечивает быстрое затухание этих колебаний во времени. Использование общего диэлектрического основания для крепления антенн и изоляция корпусов антенн предотвращает возбуждение паразитных собственных колебаний всего ангенного устройства как целого.Simultaneously with the emission of the useful signal by the transmitting antenna into the ground, part of the field energy is reflected from the edges of the front wall of the antenna, which gives a spurious oscillating signal. Due to diffraction, some small part of the energy goes around the antenna screen box and gives spurious radiation towards the air. The electromagnet field also enters the box, spreads both towards the ends of the slot (slit), partially penetrating through the slot into the ground, so PI between the back wall of the box and the conductive radiating elements. Then these waves reach the side walls of the box and are reflected back. Getting back into the central part of the antenna, these waves are absorbed in the antenna load. These waves, together with the waves reflected from the ends of the slit and from the edges of the front side of the antenna, constitute together 11 the parasitic eigenmodes of the antenna, which, however, decay quickly due to losses in the first case, losses in the antenna loading and in the resistive material filling the box. The design of the antennas provides a quick attenuation of these oscillations in time. The use of a common dielectric base for attaching the antennas and isolation of the antenna housings prevents the generation of spurious eigenmodes of the entire angular device as a whole.

Одновременно с распространением полезного зондирующего сигнала распространяется также импульс прямого прохождения непосредственно между передающей и приёмной антенной. Импульс прямого прохождения являетсяSimultaneously with the propagation of the useful sounding signal, a direct pulse propagates directly between the transmitting and receiving antennas. Forward impulse is

помехой при работе антенного устройства для радиолокации. Минимизация паразитного сигнала прямого прохождения при выбранном фиксированном расстоянии между антеннами обеспечивается выбором направления осей щелей относительно прямой, соедршяющей центры антенн, в конструкции антенного устройства.interference with the operation of the antenna device for radar. Minimization of the spurious direct signal at a selected fixed distance between the antennas is provided by the choice of the direction of the axes of the slits relative to the straight line connecting the centers of the antennas in the design of the antenna device.

При измерениях антенны могут перемещаться вдоль поверхности грунта, сигналы записываются в память компьютера. Затем можно проводить синтез апертуры с целью получения высокого углового и пространственного разрешения при зондировании удалённых объектов.During measurements, the antennas can move along the ground surface, the signals are recorded in the computer's memory. Then, aperture synthesis can be carried out in order to obtain high angular and spatial resolution when probing distant objects.

Claims

1. An antenna device for ground penetrating radar, containing similar transmitting and receiving antennas, each of which has, respectively, electrically conductive radiating and receiving elements, shielding means in the form of a box and resistive load, characterized in that the radiating and receiving elements are made in the form of plates, each of which is formed by an eight-shaped slot, and directed toward the narrow central part of the slot, the petals being parts of each of the conductive plates, each shielding means is electrically connected but along the perimeter with the corresponding conductive plate, the ratio of longitudinal and transverse in orientation to the line connecting the central sections of the eight-shaped slots, sizes A and B, respectively, the box is selected within A / B = 0.5-2, the smaller of these sizes is 0.04-0.3 • λ, where λ is the average wavelength of the spectrum of the emitted pulse, the height of the duct is at least 0.005 of the largest of the sizes A or B, the ratio of the maximum longitudinal and / or transverse dimensions of the transmitting and receiving antennas, respectively within 0.2-5, the longitudinal axis of the slots are oriented at an angle from 0 to 90 ^o to the line connecting the Central sections of the slots and make an angle of no more than 50 ^o .

2. The antenna device according to claim 1, characterized in that the conductive plates on the side facing the surface of the object under study are equipped with protective dielectric plates.

3. The antenna device according to claim 1 or 2, characterized in that the antennas are placed on a common dielectric base with the formation of an insulating gap between them.

4. The antenna device according to paragraphs. 1-3, characterized in that the Central sections of the slots are at a distance of not more than four total longitudinal dimensions of the receiving and transmitting antennas, while the angles between the longitudinal axes of the slots and the line connecting the Central sections of the slots are in the range from 30 to 60 ^o .

5. The antenna device according to paragraphs. 1-3, characterized in that the slots have the shape of two triangles facing the vertices in the opposite direction, and the longitudinal axis of the slots are located at an angle of not more than 15 ^o to the line connecting the central sections of the slots.

6. The antenna device according to claim 5, characterized in that the axis of symmetry of the antenna device coincides with the line connecting the central sections of the slots, and the antennas are placed on a common dielectric or metal base.

7. The antenna device according to claim 6, characterized in that the antenna is electrically connected by a metal conductor extending along the axis of symmetry of the antenna device.

8. The antenna device according to paragraphs. 1-7, characterized in that it is provided with a generator and / or receiver located in the cavity of the duct connected to a narrow central section of the slot between the petals.

9. The antenna device according to paragraphs. 1-7, characterized in that the connection of the generator and / or receiver to the petals is made by means of coaxial feeders, the inner and outer conductors of each coaxial feeder are connected in a narrow central section of the slot, respectively, to one and the other petals, and the external conductor of the feeder is electrically connected via the entire length to the corresponding lobe and to the inner surface of the shielding box.

10. The antenna device according to claim 9, characterized in that the generator and / or receiver are located in the cavity of the duct or on the outer surface of the duct.

11. The antenna device according to claim 9, characterized in that it is provided with a resistance connected in series between the central conductor of the coaxial feeder and its corresponding lobe.

12. The antenna device according to claim 9, 10, or 11, characterized in that in each box there is a hole for the passage of the corresponding feeder from the antennas to the receiver or generator, which is placed at a distance from the central section of the slot not more than 0.2 in shares from the largest overall transverse size of the antenna.

13. The antenna device according to p. 12, characterized in that the feeders are equipped with coaxial connectors, and the coaxial connectors are placed in the corresponding hole of the box.

14. The antenna device according to paragraphs. 1-13, characterized in that it is additionally equipped with one or more shunt resistances connected in the narrow central part of the slot between the lobes, so that the resulting active impedance of the antenna’s full load does not exceed 100 Ohms.

15. The antenna device according to paragraphs. 1-14, characterized in that the inner volume of the shielding box is filled with resistive material with a conductivity in the range of 0.02 - 0.5 S / m

16. The antenna device according to paragraphs. 1-15, characterized in that it is equipped with an optical or fiber optic communication line for supplying a video pulse between the receiver and the generator, synchronizing their operation.