Аннотация
Для проведения различных геологоразведочных и поисковых работ широко используют малоглубинное зондирование приповерхностной части земной коры. Поэтому повышение достоверности результатов малоглубинного зондирования является актуальной задачей. Цель работы – разработка антенного модуля георадара с улучшенными техническими возможностями. Рассмотрены особенности функционирования систем подповерхностного зондирования с использованием георадаров. Проведен анализ используемых в георадарах антенн, которые является базовым узлом, определяющим их эксплуатационные возможности и характеристики. Разработан новый модифицированной тип EH-антенны. Для существенного сужения диаграммы направленности вибраторной ЕН-антенны в качестве ее конструктивных элементов используются относительно длинные полые токопроводящие цилиндры, включенные последовательно с удлиняющими катушками индуктивности, что, в свою очередь, обеспечивает излучение электромагнитного поля максимальной интенсивности уже в ближней зоне окружающего пространства. Используемая приемная магнитная антенна с сердечником из диэлектрического ферримагнитного материала, состоящая из двух удлиняющих катушек индуктивности, имеет пространственную развязку по первичному полю относительно излучающей вибраторной антенны. Описан и теоретически обоснован принцип работы предложенного антенного модуля. Показано, что ферримагнитный сердечник служит не только для усиления вторичного (переизлученного) электромагнитного поля, но и в качестве дополнительного элемента тонкой настройки режимов работы ЕН-антенны. Предложен вариант конструктивного исполнения нового антенного модуля для георадара. Предложенная ЕН-антенна обеспечивает максимальное преобразование полей Е и Н в излучаемое первичное поле, а использование в качестве приемной антенны феррозонда существенно повышает чувствительность антенного модуля в целом.
Ключевые слова
малоглубинное зондирование, подповерхностный объект, георадар, широкополосный сигнал, антенный модуль, излучающая и приемная антенны, дифференциальный феррозонд
1. Геофизические методы исследований: учебное пособие / Хмелевской В.К., Горбачев Ю.И., Калинин А.В., Попов М.Г., Селиверстов Н.И., Шевнин В.А. Петропавловск-Камчатский: КГПУ, 2004. 232 с.
2. Brooks M., Hill I., Kearey P. An introduction to geophysical exploration. Blackwell Science Ltd, 2002. 280 p.
3. Современная практическая электроразведка / Агафонов Ю.А., Буддо И.В., Вахромеев А.Г., Гомульский В.В., Гусейнов Р.Г., Емельянов В.С., Ильин А.И., Компаниец С.В., Мисюркеева Н.В., Мурзина Е.В., Поспеев А.В., Семинский И.К., Сень Е.А., Суров Л.В., Токарева О.В., Шарлов М.В., Шарлов Р.В. Новосибирск: Академическое издание Гео, 2018. 231 с.
4. Radio wave techniques for non-destructive archaeological investigations / E. Pettinelli, P.M. Barone, E. Mattei, S.E. Lauro // Contemporary Physics. 2011. 52(2). Pp. 121-130. doi: 10.1080/00107514.2010.545208
5. Журбин И.В. Геофизика в археологии: методы, технология и результаты применения. Ижевск: УИИЯЛ УрО РАН. 2004. 152 с.
6. Жданов М.С. Геофизическая электромагнитная теория и методы. М.: Научный мир, 2012. 680 с.
7. Малоглубинное электромагнитное профилирование и зондирование: современное состояние и перспективные разработки /Балков Е.В., Карин Ю.Г., Панин Г.Л., Фадеев Д.И. // 12th Conference and Exhibition Engineering Geophysics, Anapa, Russia, 25-29 Apr2016. doi: 10.3997/2214-4609.201600295
8. Балков Е.В., Фадеев Д.И. Обзор современного аппаратурного и программного обеспечения малоглубинных электромагнитных зондирований в частотной области // Геофизические технологии. 2021. №1. С. 52-72. doi: 10.18303/2619-1563-2021-1-52
9. Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. М.: ЦНИГРИ, 2001. 290 с.
10. Александров П.Н. Теоретические основы георадарного метода. М.: Физматлит, 2016. 112 с.
11. Jol H.M. Ground Penetrating Radar: Theory and Applications. Elsevier Science, 2009. 508 p.
12. Гринев А.Ю., Темченко В.С., Багно Д.В. Радары подповерхностного зондирования. Мониторинг и диагностика сред и объектов. М.: Радиотехника, 2013. 392 с.
13. Persico R. Introduction to Ground Penetrating Radar: Inverse Scattering and Data Processing. Wiley-IEEE Press: New York, NY, USA, 2014. 392 p.
14. Bigman D.P. GPR Basics: A Handbook for Ground Penetrating Radar Users. CreateSpace Independent Publishing Platform, 2018. 134 р.
15. Review of GPR Activities in Civil Infrastructures: Data Analysis and Applications / Hou F., Rui X., Fan X., Zhang H. // Remote Senssing. 2022. 14(23). 5972. doi: 10.3390/rs14235972
16. Ефимова Н.Н., Данильев С.М. Георадиолокационные исследования гидротехнических и транспортных сооружений // Записки Горного института. 2007. Т. 173. С. 60-62.
17. Кулижников А.М. Оценка состояния грунтов георадиолокационными методами // Дороги и мосты. 2016. Вып. 36/2. С.113-129.
18. Underground Pipeline Identification into a Non-Destructive Case Study Based on Ground-Penetrating Radar Imaging / Iftimie N., Savin A., Steigmann R., Dobrescu G.S. // Remote Sensing. 2021. 13(17). 3494. doi:10.3390/rs13173494
19. Tosti F., Ferrante Ch. Using ground penetrating radar methods to investigate reinforced concrete structures // Surveys in Geophysics. 2020. 41(3). С. 485-530. doi: 10.1007/s10712-019-09565-5
20. Использование методов голографической подповерхностной радиолокации для неразрушающего контроля диэлектрических конструкций / С.И. Ивашов, А.С. Бугаев, А.В. Журавлев, В.В. Разевиг, М.А. Чиж, А.И. Ивашов // Журнал технической физики. 2018. 88(2). С.268-275.
21. Могилатов В.С. Импульсная электроразведка: учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГУ, Новосибирск, 2002. 208 с.
22. Maruddani B., Sandi E. The Development of Ground Penetrating Radar (GPR) Data Processing // International Journal of Machine Learning and Computing. 2019. 9(6). doi: 10.18178/ijmlc.2019.9.6.871
23. Advanced Signal Processing Methods for Ground-Penetrating Radar: Applications to civil engineering / Sun M., Pan J., Le Bastard C., Wang Y., Li J. // IEEE Signal Processing Magazine. 2019. 36. Pp. 74-84. doi: 10.1109/MSP.2019.2900454
24. Белашев Б.З., Нилов М.Ю. Автоматизированная обработка георадарных данных // Труды Карельского научного центра РАН. 2020. № 7. С. 19-27. doi: 10.17076/mat122
25. Брякин И.В. Особенности георадиолокационного зондирования // Проблемы автоматики и управления. 2013. №2. С. 111-121.
26. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары. Особенности и возможности // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 1. С. 5-31.
27. Ефимов А.В. Анализ положения дел в области создания сверхширокополосных РСА // Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн». Муром, 2023. С. 353-362. doi: 10.24412/2304-0297-2023-1-353-362
28. BryakinI.V., BochkarevI.V., KhramshinV.R. NewMethodofRadioDetectionandLocationforShallow Geophysics // International Russian Automation Conference (RusAutoCon). IEEE, 2023. Рр. 1109-1114. doi: 10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272903
29. Shiva A.V.N.R.S., Elleithy K., Abdelfattah E. Improved monostatic pulse radar design using ultra wide band for range estimation // Annual Connecticut Conference on Industrial Electronics, Technology & Automation (CT-IETA). IEEE, 2016. Pp. 1-7. doi: 10.1109/CT-IETA.2016.7868245
30. Задорожный В.В., Ломанцов А.А., Приймаков С.Н. Георадиолокатор с антенной системой на основе спиральных щелевых антенн с круговой поляризацией // Общие вопросы радиоэлектроники. 2017. Вып. 1(25). С.115-122.
31. Узконаправленные антенные блоки георадаров / З.Б. Хакиев, А.Ю. Карпов, А.А. Бахарев, В.А. Явна // Geomodel 2007 - 9th EAGE science and applied research conference on oil and gas geological exploration and development. European Association of Geoscientists & Engineers, 2007. doi: 10.3997/2214-4609.201405433
32. TEM horn antenna loaded with absorbing material for GPR applications / J. Shao, G. Fang, J. Fan, Y. Ji, H. Yin // IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett. 2014. Vol. 13. 523-527. doi: 10.1109/LAWP.2014.2311436
33. Данг Х.Б., Куан Ч.Т. Радар с фазированной решеткой и MIMO: Характеристики радара с фазовой решеткой и радара MIMO // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 3(105), С. 44-48. doi: 10.23670/IRJ.2021.105.3.007
34. Брякин И.В. Комбинированный антенный блок для георадаров // Проблемы автоматики и управления. 2015. №2(29). С. 64-74.
35. Bryakin I.V., Bochkarev I.V., Khramshin V.R. Development of New Antenna Assembly for Georadar // International Russian Automation Conference (RusAutoCon), 2023. Рр. 1104-1108. doi: 10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272897
36. Кондратьев Б.П. Теория потенциала. Новые методы и задачи с решениями. М: Мир, 2007. 512 с.
37. Брякин И.В. Модулятор на базе С-антенны // Вестник КРСУ. 2015. 15(9). С. 112-116.
38. Николаев Г.В. Неизвестные тайны электромагнетизма и свободная энергия. Новые концепции физического мира. Томск: ООО «НТЦ НЭД», 2002. 150 с.
39. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 188 с.
40. Recent Progress of Fluxgate Magnetic Sensors: Basic Research and Application / Wei S., Liao X., Zhang H., Pang J., Zhou Y. // Sensors. 2021. 21(4). 1500. doi: 10.3390/s21041500
Брякин И.В., Бочкарев И.В., Храмшин В.Р. Разработка антенного модуля георадара для малоглубинного зондирования // Электротехнические системы и комплексы. 2024. № 2(63). С. 4-16. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2024-2(63)-4-16