Research of the influence of inhomogeneous underlying structures on the impedance of a system of two parallelally locate.pdf Разработки радиоволновых методов и приборов дистанционной диагностики слабопроводя¬щих сред на основе линейных приемоизлучающих антенн актуальны [1, 2]. В [2-4] исследована возможность построения зондирующих радиоволновых систем на основе одиночных линейных антенн и частотно-усредненного алгоритма изменения внесенного импеданса антенн. Однако в реальных устройствах радиоволновой диагностики используются более сложные приемо-излучющие системы из двух и более линейных антенн, теория которых с учетом влияния контролируемых сред плохо изучена. В данной работе приведены результаты численного исследования влияния неоднородных подстилающих сред на импеданс приемоизлучающей системы из двух параллельных линейных антенн с учетом их влияния друг на друга. При этом оптимизируется величина разнесения приемной и передающей антенн. Рис. 1. Схема к задаче об определении импеданса системы линейных антенн Исследуемая модель представлена на рис. 1, где приняты следующие обозначения: А1, А2 - линейные равноплечные антенны с размером плеча l, расположенные параллельно друг другу на одной высоте h над границей раздела сред. Антенны удалены друг от друга на расстояние y. Исследуемая структура состоит из четырех плоских слоев. Каждый слой характеризуется собственной толщиной Ti и комплексной диэлектрической проницаемостью . При расчетах сопротивления линейных антенн среду с пространственным распределением диэлектрических параметров представляем в виде многослойной системы и для наглядности предполагаем ее однородной в X- и Y-направлениях. Слой T1 - воздушное пространство, в котором расположена антенна; слой T2 представляет собой укрывающую среду (т.е. характеризует глубину залегания неоднородности); слой T3 характеризует искомую неоднородность, а слой T4 идентичен по комплексной диэлектрической проницаемости слою T2 и является полупространством . Вместе слои T2 и T4 характеризуют среду залегания неоднородности T3. Для того чтобы оценить влияние различных неоднородных подстилающих поверхностей на внесенное сопротивление в отдельно взятый вибратор , в системе из двух параллельно расположенных антенн требуется учесть взаимное сопротивление антенн в свободном пространстве , а также сопротивление, обусловленное влиянием неоднородной подстилающей поверхности : . (1) Расчет проводился, как в [4], методом наведенных ЭДС для системы из двух полуволновых антенн. Данные о внесенном сопротивлении, обусловленном наличием второго полуволнового вибратора на различных удалениях в свободном пространстве y, находятся в открытом доступе и взяты из справочной литературы [5]. В [3 было исследовано влияние различных однородных подстилающих поверхностей на импеданс антенной системы в зависимости от расстояния y, на которое разнесены вибраторы в пространстве. В результате было выяснено, что на практике нельзя в отдельности избежать влияния на импеданс ни одной из компонент формулы (1), но их суммарное воздействие при определенных условиях может принимать около нулевые значения. Наглядно это показано на рис. 2. Рис. 2. Зависимости для модуля внесенного импеданса при однородном грунте в качестве подстилающей поверхности По графику рис. 2 можно для каждого типа грунтов (кривая 1 - сухой, кривая 2 - средней влажности, кривая 3 - высокой влажности) выделить собственные расстояния y, при которых суммарное влияние на вносимое сопротивление минимально, и в дальнейшем использовать эти значения для исследования неоднородных подстилающих структур. Возможность скомпенсировать влияние однородного грунта в теории позволит более эффективно распознавать в нем неоднородности, так как они приведут к изменениям в диэлектрическом профиле, которые вызовут отклонения суммарного влияния от минимума и, следовательно, будут обнаружены. Для того чтобы проверить приведенную выше теорию и оценить влияние неоднородной подстилающей поверхности на импеданс системы из двух параллельно расположенных линейных антенн, были выбраны три вида грунтов различной влажности, для которых ранее были найдены точки минимумов, а именно: 0.332 = y/λ - влажный грунт; 0.53 = y/λ - грунт средней влажности; 1 = y/λ - сухой грунт, в которых будет залегать искомая неоднородность, и построены графики зависимости модуля внесенного комплексного сопротивления от глубины залегания неоднородности T2. Рабочая длина волны для простоты расчетов была выбрана λ = 1 м (f = 300 МГц). Диэлектрические параметры исследуемых грунтов: - для сухой почвы, - для почвы средней влажности, - для почвы высокой влажности. Расчеты проводились для низко расположенной антенны h = 2 см, высота подобрана на основе исследований, проделанных в работе [3]. В качестве неоднородности была выбрана воздушная полость . Размер неоднородности T3 принят равным 10 см. Ниже для сравнения и дальнейшего анализа приведены графики зависимостей модуля внесенного комплексного сопротивления от глубины залегания искомой неоднородности. Рис. 3. Зависимости модуля внесенного импеданса от глубины залегания искомой неоднородности в сухом грунте На рис. 3 приведены кривые зависимости модуля внесенного комплексного сопротивления от глубины залегания искомой неоднородности T2 в сухом грунте. Кривая 1 на графике представляет собой случай, при котором антенная система настроена на минимум для данного типа грунта, т.е. расстояние между антеннами соответствует y = 1λ. Для сравнения и дальнейшего анализа были построены аналогичные зависимости, но с настройкой антенной системы для работы на средних (кривая 2, y = 0.53λ) и влажных (кривая 3, y = 0.332λ) грунтах. Однако для корректной оценки адекватности и целесообразности дискретной перестановки антенной системы на работу с конкретным типом грунта требуется ввести соответствующий ему порог, т.е. сигнал помехи от неоднородности той же природы, толщиной T3 = 1 см и глубиной залегания T2 = 1 см. Кривые 4-6 на рис. 3 соответствуют уровням помехи для каждого из вариантов настройки антенной системы: 4 - порог для сухого грунта; 5 - порог для грунта средней влажности; 6 - порог для сильно влажного грунта. Диапазон изменения глубины залегания T2 искомой неоднородности T3 выбран в пределах от 1 до 30 см. Аналогичные вычисления были проделаны для грунтов средней (рис. 4) и высокой влажности (рис. 5). Рис. 4. Зависимости модуля внесенного импеданса от глубины залегания искомой неоднородности в грунте средней влажности Рис. 5. Зависимости модуля внесенного импеданса от глубины залегания искомой неоднородности в грунте высокой влажности Анализ результатов Если сравнивать графики исследуемых зависимостей, можно заметить общую тенденцию нарастания периодичности зависимости с увеличением глубины залегания искомой неоднородности. Появление экстремумов обусловлено полуволновыми максимумами и четвертьволновыми минимумами. При сравнении кривых на рис. 3 (для сухого грунта) можно заметить, что уровень заданного нами порога (сигнала-помехи) преодолён на всем диапазоне изменения глубин залегания только для случая, в котором антенная система настроена на данный тип грунта (кривая 1, где 4 - ее порог). Участки кривых, которые лежат ниже установленных порогов, представляют собой зоны необнаружения неоднородности (мертвые зоны). Подобный недостаток может быть исправлен перестройкой рабочей частоты или применением формирователя абсолютных значений, что все равно не избавит от «мертвых» зон в окрестности точек пересечения порогового значения. Также следует отметить, что чем меньше по уровню изначальный сигнал-помеха (порог), тем чище итоговый сигнал от неоднородности. По данному критерию также наблюдается выигрыш в случае дискретной перестановки антенной системы под рабочий грунт. На рис. 4, который иллюстрирует зависимости для грунта средней влажности, наблюдается падение зависимости ниже порога обнаружения для случая настройки на влажный грунт (кривая 3, где 6 - порог), в то время как для настроек на сухой (кривая 1, где 4 - порог) и средне влажный (кривая 2, где 5 - порог) грунты порог преодолен во всем диапазоне глубин. Минимальный уровень порогового значения также оптимален для случаев настройки на сухой (кривая 4) и средне влажный (кривая 5) грунты. Однако следует отметить, что наибольший запас по уровню относительно порогового значения имеет случай, в котором мы настроены на исследуемый грунт средней влажности. Чем больше запас по уровню, тем проще отличить сигнал-помеху от сигнала искомой неоднородности, и, как следствие, это положительно сказывается на вероятности обнаружения. Зависимости, которые построены для грунта высокой влажности (рис. 5), показали, что фактически для любой настройки антенной системы порог будет преодолён, а уровень самого порога слабо изменяется в зависимости от настройки. В то же время отчетливо видно, что для случая настройки на работу с данным типом грунта наблюдается в среднем наибольший запас по уровню относительно порога на всем протяжении диапазона глубин залегания искомой неоднородности. В целом, как можно заметить по вышесказанному, на основании результатов теоретического моделирования дискретная перестановка антенной системы в некоторых случаях может быть вполне обоснованной и дает определенные преимущества. Также хотелось бы отметить, что в случае, когда описанные выше особенности не учитываются, наиболее благоприятным и универсальным вариантом фиксированного размещения антенн относительно друг друга будет такое расстояние y, которое равно или превышает рабочую длину волны. Наглядно это видно на рис. 6, в котором для одной и той же настройки антенн кривые зависимостей для разных типов грунтов (кривая 1 - сухой, кривая 2 - средней влажности, кривая 3 - высокой влажности) превышают порог, а уровень самого порога (кривые 4, 5, 6) фактически независим от типа грунта. Рис. 6. Зависимости модуля внесенного импеданса от глубины залегания искомой неоднородности для дискретной перестановки на y = 1λ Однако следует отметить, что обеспечение подобного расстояния между антеннами при работе в верхней части дециметрового и метрового диапазонов длин волн не всегда приемлемо для переносных приемопередающих антенных систем подповерхностного зондирования, так, например, при работе на частоте 300 МГц потребуется обеспечить расстояние в 1 м. По результатам работы можно сделать следующие выводы: 1) Кривые зависимости модуля внесенного комплексного сопротивления от глубины залегания искомой неоднородности имеют осциллирующе-затухающий характер. 2) На основании результатов теоретического моделирования были показаны преимущества, которые может дать дискретная перестановка антенной системы под рабочий грунт, а именно: повышение вероятности обнаружения (увеличение отношения сигнал/шум) и уменьшение зон необнаружения искомой неоднородности. 3) На основании тех же расчетов показаны особенности, которые могут негативно повлиять на обнаружение искомой неоднородности в случаях, когда не учитывается влияние подстилающей поверхности на параметры приземных антенн, такие, как возникновение мертвых зон и уменьшение отношения сигнал/шум. 4) Предложен оптимальный вариант фиксированного расположения антенн (y = 1λ) относительно друг друга (рис. 6) для минимизации негативного влияния различных подстилающих поверхностей при работе с исследуемым диапазоном длин волн.

Скачать электронную версию публикации