В.И. Сахтеров1, И.В. Прокопович2, А.В. Попов3

1−3 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова (ИЗМИРАН) (г. Троицк, Россия)

Постановка проблемы. В настоящее время при выполнении геофизических исследований и для контроля проведения строительных работ, а также при скважинном зондировании (радиокаротаж) широко применяются приборы подповерхностного радиозондирования − георадары. Антенны стандартного георадара, работающего на границе раздела «земля−воздух», имеют выраженную диаграмму излучения, направленную вглубь зондируемой среды за счет разницы диэлектрических проницаемостей. В скважинном георадаре для обеспечения азимутальной направленности излучения вследствие сравнительно узкой вертикальной полости требуются новые конструктивные решения. В одной из конструкций, использующей в качестве излучателя металлический цилиндр с продольной щелью, ДН формируется за счет дифракционного ослабления волн при огибании выпуклого тела. Проведенные модельные эксперименты подтвердили теоретические оценки ДН и эффективность излучения такой щелевой антенны георадара. Актуальной задачей на сегодняшний день является согласование размеров излучателя с диаметром стандартных скважин.

Цель. Предложить простейшую конструкцию направленных антенн для задач радиолокационного каротажа и провести ее исследование.

Результаты. Рассмотрен практический способ адаптации хорошо зарекомендовавших себя дипольных резистивно-нагру-женных антенн георадара к задачам скважинного радиолокационного каротажа. Показано, что одним из требований при конструировании антенн для целей каротажа является обеспечение их азимутальной направленности при жестко ограниченных поперечных размерах системы. На специально изготовленных экспериментальных стендах промерены ДН такой излучающей системы при размещении ее на границе «земля−воздух» (обычная схема использования георадара), а также внутри бочки с влажным грунтом (имитация работы скважинного георадара). Экспериментально изучено влияние расстояния между экраном и диполем на формирование ДН. Установлено, что на расстояниях, сопоставимых с шириной экрана, приходится принимать компромиссный выбор между мощностью излучения и направленностью антенны. Для подтверждения наблюдаемых качественных закономерностей найдено приближенное аналитическое решение задачи дифракции плоской падающей волны на бесконечно длинной проводящей полосе. Получено отношение напряженности электромагнитного поля в освещенной области к полю в тени на том же расстоянии от экрана, что позволяет сделать оценку коэффициента направленности излучения экранированного диполя. Проведен анализ изучаемой антенной системы на основе трехмерного расчета ДН путем численного решения задачи распространения радиоволн методом конечных разностей во временной области. Показано, что результаты численного моделирования и аналитического решения согласуются между собой и соответствуют основным закономерностям, наблюдаемым в лабораторном эксперименте.

Практическая значимость. Результаты аналитического приближенного решения, а также численного и экспериментального моделирования подтвердили выраженную ДН предложенной излучающей системы – экранированного диполя, что может быть эффективно использовано для практического решения задачи радиолокационного каротажа.

Сахтеров В.И., Прокопович И.В., Попов А.В. Экранированная дипольная антенна для задач радиолокационного каротажа // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 8. С. 103-112. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202208-11

1. Попов А.В., Прокопович И.В., Едемский Д.Е., Морозов П.А., Беркут А.И. Глубинный георадар: принципы и применение // Электромагнитные волны и электронные системы. 2018. Т. 23. № 4. С. 28−36.
2. Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Варенков В.В., Резников А.Е., Сахтеров В.И. Современные георадары серии «Грот» для экологического мониторинга // Экологические системы и приборы. 2012. № 5. С. 3−5.
3. Wu T.T., King R.W.P. The cylindrical antenna with nonreflecting resistive loading // IEEE Trans. Antennas Propag. 1965. V. 13.
   № 3. P. 369−373.
4. Engheta N., Papas C.H., Elachi C. Interface extinction and subsurface peaking of the radiation pattern of a line source // Applied Physics B. 1981. V. 26. № 4. P. 231−238.
5. Патент 2117368 (Россия). Антенна для георадара. / О Ен Ден, А.Е. Резников.
6. Патент 142226 (Россия) Экранированная антенна георадара. / О Ен Ден.
7. О Ен Ден. Легкий, компактный шатровый экран для антенн георадаров // Специальная техника. 2006. № 5. С. 32−35.
8. Гарбацевич В.А., Морозов П.А., Морозов Ф.П., Прокопович И.В., Попов А.В. Расчет и моделирование цилиндрической щелевой антенны для задач радиолокационного каротажа // Труды XXVI Всеросс. открытой науч. конф. «Распространение радиоволн». Казань. 2019. Т. 2. C. 443-446.
9. Патент 2753250 (Россия). Направленная антенна для подземного излучения. / Сахтеров В.И.
10. Гарбацевич В.А. Исследование излучателей и сигналов ионозонда и георадара для диагностики геофизических сред. Автореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук. Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн. 2008.
11. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. Изд. 3-е, доп. М.: Энергия. 1979. 320 с.
12. Уиттекер Э.Т., Ватсон Дж.Н. Курс современного анализа. Часть II. Трансцендентные функции. М.: Физматгиз. 1963. 516 с.
13. Giannopoulos A. Modelling ground penetrating radar by GprMax // Construction and Building Materials. 2005. V. 19. P. 755−762.
14. Yee K.S. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1966. V. 14. № 3. P. 302−307.