Anteny georadarowe
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
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.
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.
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).
Anteny pseudo monostatyczne
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.
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.
