Anteny georadarowe cz. 1

Anteny georadarowe

gcb300-2

są dość obszernym tematem do rozważań. Pierwotnie miałem zamysł napisać duży artykuł na temat klasyfikacji, zastosowań i podziałów anten, jednak materiał postanowiłem podzielić na kilka mniejszych części tematycznych. W pierwszej odsłonie ogólnie omówię fundamentalny podział na rodzaje konfiguracji anten pod kątem pracy w trybie monostatycznym i bistatycznym.

Antena georadarowa obok jednostki centralnej jest drugim najważniejszym elementem elektroniki georadaru. Rolą anteny jest emisja fali elektromagnetycznej i zarejestrowanie odpowiedzi impulsowej ośrodka, w który sygnał został wygenerowany, prościej rzecz ujmując zarejestrowanie echa i odbić fali od obiektów pod powierzchnią, na której prowadzone są badania georadarowe. Anteny georadarowe można podzielić na kilka grup w zależności od trybu pracy, częstotliwości, budowy i zastosowania. W omówieniu wszystkich zagadnień i podziałów posłużę się przykładami anten produkcji szwedzkiej firmy Geoscanners AB.

Anteny mogą pracować w zależności od budowy w 3 trybach:

  • Anteny monostatyczne
  • Anteny pseudo monostatyczne (najpopularniejsze i nazywane powszechnie monostatycznymi)
  • Anteny w konfiguracji bistatycznej
anteny monostatyczne i bistatyczne
Ryc. 1. Konfiguracje anten georadarowych. Tx - transmiter, antena nadawcza, Rx receiver (ang.) antena odbiorcza. a) tryb monostatyczny b) tryb pseudo monostatyczny c) tryb bistatyczny (opracowanie własne)
Anteny monostatyczne

Główną cechą takiej konstrukcji jest fizycznie jedna antena, dipol, który pełni rolę nadajnika i zarazem odbiornika (Ryc. 1). Przykładem może być seria anten georadarowych Gekko produkcji Geoscanners AB.

Antena nieekranowana Gekko 80 produkcji Geoscanners AB
Ryc. 2. Antena nieekranowana Gekko 80 produkcji Geoscanners AB (materiały Geoscanners AB)

W zależności od użytej elektroniki (wymienny plug-in) może pracować w trzech różnych trybach. Tryb monostatyczny - plug-in TR-501. Elektronika sterująca pracuje w trybie nadawczo/odbiorczym. Elektronika emituje impuls elektromagnetyczny i zmienia tryb na odbiorczy i ta sama fizycznie antena rejestruje odbite fale powracające z ośrodka gruntowego. Bardzo ważna cecha, antena Gekko w odróżnieniu od anten georadarowych pseudo monostatycznych jak seria GCB nie musi mieć kontaktu z badanym ośrodkiem ale należy pamiętać, że jest to antena nieekranowana co ma wiele wad (rejestruje cały otaczający szum i przypadkowe odbicia) o czym w innym wpisie.

bnr_plugin01
Ryc. 3. Plug-in nadawczo-odbiorczy stosowany w antenach monostatycznych serii Gekko produkcji Geoscanners AB (materiały Geoscanners AB)

 

plugin_trx
Ryc. 4. Pluginy Geoscanners AB stosowane w antenach serii Gekko oraz wielozakresowych MFC. a) nadajnik Tx b) odbiornik Rx c) nadajnik/odbiornik TRx (materiały Geoscanners AB)

Kolejnym przykładem anteny monostatycznej może być georadarowa antena otworowa BA-100 ze względu na ograniczone rozmiary anteny. Anteny otworowe Gesocanners BA-500 i BA-1000 mają konstrukcję pseudo monostatyczną. Anteny mogą pracować w trybie monostatycznym, a także bistatycznym np. podczas prześwietlań międzyotworowych (rodzaj tomografii gdzie rejestruje się falę bezpośrednią, a nie jak w klasycznej metodzie georadarowej odbitą).

Ryc. . Antena otworowa serii BA produkcji Geoscanners AB (materiały Geoscanners AB)
Ryc.5. Antena otworowa serii BA produkcji Geoscanners AB (materiały Geoscanners AB)
Anteny pseudo monostatyczne
antena_ekranowana
Ryc. 6. Model georadarowej anteny ekranowanej. Charakterystyczne dwie anteny dipolowe Tx i Rx, szerokopasmowe (opracowanie własne)

Anteny georadarowe pseudomonostatyczne powszechnie nazywane są monostatycznymi, jednak należy pamiętać o diametralnej różnicy pomiędzy jednym typem, a drugim. Fundamentalna różnica polega na tym, że pseudo monostatyczna antena de facto w budowie fizycznie zawiera dwie anteny dipolowe. Jedna antena Tx transmituje sygnał georadarowy, natomiast druga antena Rx pełni rolę odbiornika. Funkcje są przydzielone na stałe i nie zmienne. Przykładami są rozwiązania Geoscanners AB anteny georadarowe serii GCB, HA czy FLB. Wadą anten jest stała geometria czyli niezmienna odległość pomiędzy antenami: nadawczą i odbiorczą. Ekranowane anteny georadarowe serii GCB (Ground Coupled Bowtie) charakteryzują się stosunkowo małym rozmiarem i szerokim pasmem przenoszenia sygnału. Obudowa anteny jest ekranowana specjalnym materiałem od niepożądanych fal elektromagnetycznych ze środowiska zewnętrznego. Rejestrowane są  wyłącznie sygnały pochodzące z badanej struktury. Przypadkowe i zewnętrzne sygnały, szumy widma mikrofalowego tak jak np. GSM (telefonii komórkowej czy RTV) są skutecznie tłumione i nie mają wpływu na pomiar w odróżnieniu od anten nieekranowanych, chociażby serii Gekko. Antena georadarowa serii GCB musi posiadać ciągły kontakt z badaną strukturą, powierzchnią aby cała energia była transmitowana do badanego ośrodka. W przeciwnym razie energia sygnału zostanie odbita od powierzchni i efektywność gwałtownie spadnie. Finalnie pomiar może być bezużyteczny lub zaburzony silnym szumem niskoczęstotliwościowym. Oczywiście na co dzień spotykamy się z badaniami georadarowymi na nierównych powierzchniach. Antena często traci kontakt z podłożem, na co należy zwrócić uwagę i starać się kontrolować pomiary georadarowe jak tylko możliwe.

Ryc. . Anteny ekranowane GCB produkcji Geoscanners AB
Ryc.7. Anteny georadarowe ekranowane GCB produkcji Geoscanners AB (materiały Geoscanners AB)

Ostatnim przykładem są anteny tzw "air" seria HA i FLB. W odróżnieniu od "ground" stosowane są bez kontaktu z powierzchnią. Są także ekranowane i posiadają dwa dipole antenowe: nadawczy i odbiorczy. Zasadnicza różnica pomiędzy antenami GCB, a HA i FLB polega na zastosowaniu anten w powietrzu czyli bez kontaktu z badaną strukturą. Pozwala to na zwiększenie prędkości badania np. na zamontowaniu aparatury georadarowej na samochodzie, pociągu czy innym pojeździe. Dzięki temu zwiększamy prędkość badania, a co za tym idzie redukujemy koszty badań np. przy akwizycji wielu setek kilometrów autostrad i dróg ekspresowych. Oczywiście budowa anten HA i FLB jest kompromisem pomiędzy prędkością badania i jakością. Antena typu horn serii HA ma specyficzną budowę anteny tubowej. Charakterystyka fali jest tak ukształtowana, że pomimo zawieszenia anteny ponad badaną strukturą np. jezdnią, energia fali wnika z powodzeniem do ośrodka.

Ryc. . Wielokanałowy model Rex produkcji Geoscanners AB do badani nawierzchni i podbudowy dróg.. Antena Horn 1 GHz, Antena Horn 2 GHz i antena FLB 390 MHz
Ryc. 8. Wielokanałowy georadar Rex produkcji Geoscanners AB do badania nawierzchni drogowej i podbudowy. W zestawie 3 anteny antena horn 1 GHz, antena horn 2 GHz  (HA) i antena FLB 390 MHz

 

2 Comments

  • Ciekawe zestawienie, a w jaki sposób techniczny jest rozwiązane ekranowanie anten od zakłóceń ? Czy jest to np. jakieś tworzywo z grafitem, gąbka z jakimś wysoko opornym czymś czy jeszcze inaczej? A co sprawia że anteny air nie tracą na jakości sygnału pomimo zawieszenia w powietrzu? Czy chodzi tylko o niższą częstotliwość sygnału czy jeszcze coś innego?

    • Michał

      Jeśli chodzi o materiały ekranujące to muszę dopytać producenta bo nie jestem do końca pewien.
      Anteny air mają trochę inną budowę, która można porównać do anten kierunkowych stosowanych w telekomunikacji. Np. antena horn to antena tubowa. Owa tuba jest falowodem i dlatego HA 1000 i HA 2000 ma charakterystyczny kształt pionowego prostopadłościanu. Dla porównania kąt rozwarcia stożka emitowanej fali EM dla anten GCB to ~60 stopni natomiast dla HA to już ~41 stopni. Energia emitowana jest bardziej skupiona, ukierunkowana dlatego ma większą zdolność do penetracji.

Comments are closed