Щілинна антена для радіолокаторів підповерхневого зондування

Реферат: Об'єкт винаходу: щілинна антена для радіолокаторів підповерхневого зондування. Область застосування: радіотехнічні системи радіолокаційного підповерхневого зондування ґрунту. Суть винаходу: провідна поверхня антени має дві вісімкоподібні щілини, утворюючи тим самим чотири однакові трикутні пелюстки, кінці яких відігнуті до центру короба, що екранує, і закріплено на ньому у вигляді чотирьох вхідних контактів антени; до кожної пари протилежних пелюстків антени через комутатори приєднані симетрируючі трансформатори, перемикання комутаторів забезпечує випромінювання й приймання антени на погоджених і ортогональних поляризаціях випромінювання антени. Технічний результат: підвищення точності оцінки форми підповерхневих об'єктів. UA 103381 C2 (12) UA 103381 C2 UA 103381 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі радіотехнічних систем, зокрема радіолокаційного під поверхневого зондування ґрунту, і може бути використане для виявлення й розпізнавання об'єктів. У радіолокаторах підповерхневого зондування (РПЗ) випромінюваний антеною зондувальний сигнал розповсюджується під поверхню землі, загасаючи при поширенні, і зустрічаючи неоднорідність, частково відбивається в різних напрямках, у тому числі й у напрямку прийомної антени. Рівень прийнятих сигналів залежить від коефіцієнта відбиття сигналу від неоднорідностей підповерхневої структури ґрунту. Крім того характеристики сигналів, відбитих від об'єктів як штучного, так і природного походження, залежать від поляризації випромінених і прийнятих сигналів, особливо в тих випадках, коли геометрична форма об'єктів несиметрична або їх електричні характеристики (діелектрична проникність і питома провідність) неоднорідні. Виміри, проведені з випромінюванням радіохвиль на двох ортогональних поляризаціях, коли приймання відбитих сигналів здійснюється як на погодженій поляризації, так і на ортогональній до випромінюваної, (вимір повної поляризаційної матриці розсіювання підповерхневих об'єктів) дозволяють суттєво збільшити контраст і ймовірність розпізнавання симетричних об'єктів штучного походження, що, наприклад, дає можливість відрізнити протипіхотні міни від неоднорідностей підповерхневої структури ґрунту, викликаних флуктуаціями вологості, наявністю каменів, розущільненням ґрунту і ін… Також методами поляризаційної селекції відбитих сигналів можна пригнічувати сигнали, відбиті від протяжних підповерхневих об'єктів, зокрема границь між шарами ґрунту з різною літологічною структурою, і підкреслювати сигнали, відбиті від невеликих, локальних об'єктів як штучного, так і природного походження. Як випромінююча система РПЗ переважно використовується антена з меншим випромінюванням у верхній півпростір і зниженим рівнем пелюстків діаграми спрямованості уздовж земної поверхні. Для проведення поляризаційних вимірів антена РПЗ у процесі проведення вимірів повинна мати можливість випромінювати й приймати радіохвилі на двох поляризаціях, кут між якими становить 90°. Відомі 4 основні типи антен, які використовуються в РПЗ: це різні типи рупорних і спіральних антен (Investigation of Convenient Antenna Designs for Ultra-Wide Band GPR Systems, Ahmet Serdar Turk, Demet Armagan Sahinkaya, Hakki Nazli, Mehmet Sezgin //The Scientific and Technical Research Council of Turkey (TUBITAK) Marmara Research Center, Information Technologies Institute), планарні антени типу "метелик" » (UNIVERSITI TEKNOLOGI MALAYSIA BORANG PENGESAHAN STATUS TESIS, Bowtie antennas, Sesi Pengajian), а також щілинні антени (Дручинин СВ., Лещанский ЮМ.// Распространение и дифракция электромагнитных волн:Межвед. сб./ М.: МФТИ, 1993. с. 130). Особливістю роботи всіх цих антен є робота переважно на одному типі поляризації. Зондування ж об'єкта, яке проведене на двох ортогональних поляризаціях випромінювання й прийому, дозволяє оцінювати форму об'єкта, що у деяких випадках (наприклад, при виявленні мін) є надзвичайно актуальним. Тільки спіральні антени, що працюють із круговою поляризацією, дозволяють у принципі виділяти ортогонально поляризовані компоненти сигналів. Однак у цьому випадку потрібне істотне ускладнення прийомної системи радіолокатора й, як наслідок, це призводить до збільшення габаритних і вагових характеристик РПЗ і росту його енергоспоживання. Відомий антенний пристрій для георадара (Патент РФ №2206942 МПК HO 1Q1/04, 2001), що містить аналогічні передавальну й прийомну антени, кожна з яких має відповідно випромінюючий й прийомний елементи, засіб екранування у вигляді короба, що екранує, і резистивне навантаження. Випромінююча й прийомна антени виконані у вигляді провідних поверхонь, у кожній з яких є вісімкоподібна щілина. Вузькі центральні ділянки вісімкоподібної щілини утворюють пелюстки, що є частинами кожної із провідних пластин. Вхідний сигнал на антену подається (знімається) на край пелюстків у центрі вісімкоподібної щілини. Короб, що екранує, електрично з'єднаний по периметру із провідною пластиною антени. Така антена характеризується зниженим рівнем бічних пелюстків діаграми спрямованості уздовж земної поверхні й випромінювання у верхній півпростір, але для зміни поляризації вимагає механічного повороту на 90 градусів. Недоліком наведеного антенного пристрою є те, що фазові центри антен зміщені не менш, чим на довжину однієї антени, що робить проблематичним одержання достатньої поляризаційної селекції локальних несиметричних об'єктів, розташованих в підповерхневому просторі. Перспективною є задача вдосконалити антену РПЗ, забезпечивши можливість перемикання поляризації її випромінювання й приймання таким чином, щоб одержати повну поляризаційну матрицю розсіювання прийнятого сигналу, без механічного повороту антени й не змінюючи розташування фазового центру антени, Це розширить функціональні можливості РПЗ, тому що 1 UA 103381 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зондування об'єкта, проведене з можливістю одержання повної поляризаційної матриці розсіювання прийнятого відбитого сигналу при наявності того самого фазового центру антени, дозволить максимально точно оцінити форму об'єкта, що в деяких випадках (наприклад, при виявленні мін) є надзвичайно актуальним. Використання щілинної магнітної антени в порівнянні з дипольними антенами представляється більш доцільним з погляду можливості одержання зниженого рівня випромінювання зондувального сигналу й приймання відбитих сигналів з верхньої півсфери. Найбільш близькою по своїй технічній суті є щілинна антена із квадратним екраном і двома, прорізаними перпендикулярно один одному, вісімкоподібними щілинами, яка вибрана як прототип (Патент України №96208 від 10.10.11 МПК H01Q3/24). Антена містить пелюстки, розташовані на нижній поверхні антени, попарне з'єднання пелюстків утворюють дві взаємно перпендикулярні випромінюючі щілини, резонатор антени утворений верхнім коробом, що екранує. Радіочастотний сигнал до антени подається фідером, зміна з'єднання пелюстків забезпечує перемикаючий пристрій. По зовнішній команді перемикаючий пристрій змінює з'єднання пелюстків і випромінюючою стає перпендикулярна щілина, змінюючи тим самим на 90 градусів поляризацію випромінювання й приймання антени. Вихідний фідер радіолокатора підповерхневого зондування постійно залишається приєднаним до протилежних пелюстків. Таким чином, здійснюється вимір діагональних елементів поляризаційної матриці розсіювання компонент відбитого сигналу без механічного повороту антени й без зміни просторового розташування її фазового центру. При цьому не відбувається ускладнення схеми РПЗ, тому що при роботі РПЗ с сигналами обох поляризацій використовуються ті ж самі тракти приймання й випромінювання. Недоліком даної антени є неможливість забезпечення приймання відбитих сигналів на ортогональних поляризаціях і, отже, одержання повної поляризаційної матриці розсіювання прийнятих радіолокатором відбитих сигналів. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалити щілинну антену для радіолокатора підповерхневого зондування шляхом забезпечення випромінювання (приймання) сигналу на ортогональних і погоджених поляризаціях, що дозволяє одержувати повну поляризаційну матрицю розсіювання прийнятих радіолокатором відбитих сигналів і підвищити точність оцінки форми підповерхневих об'єктів. Поставлена задача вирішується тим, що в щілинній антені для радіолокаторів підповерхневого зондування, що виконана у вигляді резонатора, утвореного провідним коробом, що екранує, і провідною поверхнею, у якій є дві взаємно перпендикулярні вісімкоподібні щілини, при цьому провідна поверхня має чотири однакових трикутних пелюстки, кінці яких відігнуті до центра короба, що екранує, і закріплені на ньому у вигляді чотирьох вхідних контактів антени, згідно з винаходом, до кожної пари протилежних пелюстків антени через комутатори приєднані симетрируючі трансформатори. Введення комутаторів дозволяє робити виміри на двох ортогональних поляризаціях випромінювання антени, на кожній з яких здійснюється приймання погодженої і ортогональної складових поляризаційних компонентів відбитих сигналів. Таким чином, у процесі вимірів можливо одержати повну поляризаційну матрицю розсіювання прийнятих відбитих сигналів РПЗ, що підвищує точність оцінки форми підповерхневих об'єктів. Суть винаходу пояснюється кресленнями. На Фіг.1 наведена антена РПЗ, що заявляється, на Фіг.2 представлено її включення у схему РПЗ, на Фіг.3 представлений зовнішній вигляд щілинної антени, що заявляється, на Фіг.4 - діаграма спрямованості антени у вільному просторі на частоті 700 МГц, на Фіг.5 представлений коефіцієнт стоячої хвилі антени, що заявляється, розгорнутої убік ґрунту. Щілинна антена для радіолокаторів підповерхневого зондування, що заявляється (Фіг.1), містить пелюстки (1-4), розташовані на нижній поверхні антени, і ділянки випромінюючої щілини (5-8). Резонатор антени утворений верхнім коробом, що екранує. Вхідні контакти антени розташовані на краях пелюстків, відігнутих до центру короба, що екранує. Симетрируючі трансформатори 9 і 10 (Фіг.2) приєднані до вхідних контактів антени. Пелюстки антени 1-4 поєднані між собою комутаторами 11-14. Вихід симетрируючого трансформатора 10 підключено до входу b циркулятора радіолокатора 15, вихід симетрируючого трансформатора 9 - до комутатора 16. Комутатор 17 підключено до виходу с циркулятора 15 і через комутатор 16 до входу приймача РПЗ 18. Передавач 19 приєднаний до входу a циркулятора 15. У випадку підключення за допомогою комутаторів 11 і 13 виводів симетрируючого трансформатора 10 до пелюстків антени 1 і 3 випромінююча щілина утворюється ділянками 5,8 і 6,7 (Фіг.1); у випадку підключення виводів симетрируючого трансформатора 10 до пелюстків антени 2 і 4 випромінююча щілина утворюється ділянками 5,6 і 7,8 (Фіг.1). Ці дві випромінюючі щілини є 2 UA 103381 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 взаємно перпендикулярними, і випромінювання й приймання сигналів при роботі із цими щілинами здійснюється на ортогональних поляризаціях сигналів. Для одержання повної поляризаційної матриці розсіювання відбитих сигналів радіолокатора необхідно випромінити й прийняти сигнал за допомогою щілини, утвореною ділянками 5,8 і 6,7 (Фіг.1); випроменити й прийняти сигнал за допомогою щілини, утвореною ділянками 5,6 і 7,8; випроменити сигнал за допомогою щілини, утвореною ділянками 5,8 і 6,7 та прийняти сигнал за допомогою щілини, утвореною ділянками 5,6 і 7,8; випромінити сигнал за допомогою щілини, утвореної ділянками 5,6 і 7,8 та прийняти сигнал за допомогою щілини, утвореної ділянками 5,8 і 6,7. Зміна приєднання пелюстків антени 1-4 до симетрируючих трансформаторів 9 і 10 забезпечується за допомогою комутаторів 11-14 (Фіг.2). У випадку приймання й передачі сигналів РПЗ на одній поляризації при роботі з однієї з ортогональних щілин антени прийомний пристрій через комутатор 17 підключено до виходу с циркулятора 15, на якому присутні відбиті від поверхні землі сигнали РПЗ. У випадку, якщо приймання й випромінювання сигналів здійснюється на ортогональних поляризациях, вхід приймача підключається до виходу симетрируючого трансформатора 9 через комутатор 16. Пропонована антенна система працює в такий спосіб. Комутатори 11 і 13 у первинному стані забезпечують електричне приєднання пелюстків антени 1 і 3 до симетрируючого трансформатора 10 і відповідно до виходу b циркулятора. При цьому вихід с циркулятора 15 через комутатор 17 приєднаний до входу приймача радіолокатора. У цьому випадку випромінюючою і приймальною щілиною є щілина, утворена ділянками 5,8 і 6,7 (Фіг. 1). По команді комутатори 11 і 13 електрично приєднують пелюстки 2 і 4 до симетрируючого трансформатора 10, і щілиною, що приймає і випромінює, стає щілина, утворена ділянками 5,6 і 7,8 (Фіг.1), змінюючи тим самим на 90 градусів поляризацію випромінювання й приймання антени. У цьому випадку прийомний пристрій також залишається підключеним до виходу с циркулятора 15. Для забезпечення випромінювання сигналу щілиною, утвореною ділянками 5,6 і 7,8 (Фіг.1), а приймання відбитих сигналів щілиною, утвореною ділянками 5,8 і 7,6 (Фіг.1), комутатори 11 і 13 електрично приєднують пелюстки 2 і 4 до симетрируючого трансформатора 10, комутатори 12 і 14 електрично приєднують пелюстки 1 і 3 до симетрируючого трансформатора 9, комутатор 16 підключає приймач до виходу симетрируючого трансформатора 9, а комутатор 17 підключає резистивне навантаження до виходу с циркулятора 15. Для забезпечення випромінювання сигналу щілиною, утвореною ділянками 5,8 і 7,6 (Фіг.1), а приймання відбитих сигналів щілиною, утвореною ділянками 5,6 і 7,8 (Фіг.1), комутатори 11 і 13 електрично приєднують пелюстки 1 і 3 до симетрируючого трансформатора 10, комутатори 12 і 14 електрично приєднують пелюстки 2 і 4 до симетрируючого трансформатора 9, комутатор 16 підключає приймач до виходу симетрируючого трансформатора 9, а комутатор 17 підключає резистивне навантаження до виходу с циркулятора 15. Прийнятий відбитий сигнал у всіх випадках надходить у прийомний пристрій РПЗ і далі в блок цифрової обробки. У такий спосіб здійснюється приймання й випромінювання сигналів на погоджених і ортогональних поляризаціях, необхідний для одержання компонентів повної поляризаційної матриці розсіювання прийнятих радіолокатором відбитих сигналів без механічного повороту антени й без зміни просторового розташування її фазового центру. При цьому не відбувається ускладнення прийомного тракту РПЗ, тому що використовуються ті ж самі тракти приймання й випромінювання при роботі РПЗ на різних поляризаціях сигналів. Як приклад на Фіг.3 представлений зовнішній вигляд щілинної антени, що заявляється, на Фіг.4 - діаграма спрямованості антени у вільному просторі на частоті 700 МГц при підключення симетрируючого трансформатора до пелюстків 1 і 3, на Фіг.5 представлений коефіцієнт стоячої хвилі (КСВН) розгорнутої у бік ґрунту антени, що заявляється, у робочому діапазоні частот 500900 МГц для хвильового опору лінії, що підводить, 200 Ом (коефіцієнт трансформації до 50омної лінії 1:4). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Щілинна антена для радіолокаторів підповерхневого зондування, що виконана у вигляді резонатора, утвореного провідним коробом, що екранує, і провідною поверхнею, у якій є дві взаємно перпендикулярні вісімкоподібні щілини, при цьому провідна поверхня має чотири однакових трикутних пелюстки, кінці яких відігнуті до центра короба, що екранує, і закріплені на ньому у вигляді чотирьох вхідних контактів антени, яка відрізняється тим, що до кожної пари протилежних пелюстків антени через комутатори приєднані симетруючі трансформатори. 3 UA 103381 C2 4 UA 103381 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5