El uso de materiales radioabsorbentes para proteger el georadar de interferencias electromagnéticas.

Uso de materiales absorbentes de radio para proteger el georadar de interferencia electromagnética..

Olga Nikolaevna GORBATENKO,
Sergey Borisovich BIBIKOV, Candidato de Ciencias Físicas y Matemáticas

USO DE RADIO ABSORBENTES — MATERIALES RADIODISIVOS PARA PROTEGER EL GPR DE INTERFERENCIAS ELECTROMAGNÉTICAS

Se considera el problema de proteger un georadar del tipo OKO-M1 en diversas condiciones electromagnéticas. Se está investigando la cuestión de elegir un revestimiento multicapa de espesor óptimo, que tenga el nivel requerido de reflexión y absorción.

En los equipos de georadar modernos, se utilizan ampliamente varios tipos de antenas, por ejemplo, antenas dipolo de mariposa. Estructuralmente, la antena consta de brazos dipolos formados por dos triángulos metálicos planos (Fig. 1). En este caso, tanto el par de triángulos emisores como receptores se fijan sobre un único sustrato, que es arrastrado directamente por la superficie del suelo. Estas antenas proporcionan un patrón de radiación simétrico, donde además de los lóbulos principales también hay lóbulos laterales (Fig. 2). Durante el funcionamiento real del dispositivo, la dispersión y reflexión de la radiación en el hemisferio superior (lóbulo posterior) puede distorsionar significativamente la imagen de la señal recibida por lo tanto, la cuestión de proteger el GPR para suprimir la radiación en el medio espacio superior es relevante.

Fig. 1. Diagrama de una antena dipolo mariposa

Fig. 2. Patrón direccional de una antena dipolo mariposa

En los GPR del tipo OKO, el blindaje está provisto en la parte superior de un material compuesto especial conductor y absorbente [1]. En comparación con las antenas dipolo no blindadas, este diseño permite obtener resultados aceptables debido a la supresión parcial de la principal interferencia regular durante el proceso de observación. Pero esta evaluación no es suficiente. Las investigaciones han demostrado que para aumentar el blindaje tiene sentido utilizar materiales absorbentes de radio (RAM).

El objetivo de este trabajo es estudiar la posibilidad de utilizar RPM para mejorar las características y confiabilidad de un georadar tipo OKO-M1 con una frecuencia central de 400 MHz en diversas condiciones electromagnéticas.

El problema de elegir un absorbente de ondas electromagnéticas en los rangos de decímetros y metros basándose en materiales conductores a granel es queEstas estructuras, por regla general, proporcionan el nivel deseado de absorción con un espesor comparable a la longitud de onda y tienen una altura significativa (hasta 3…4 m) para el rango de onda larga. Un revestimiento formado por tales absorbentes es una estructura voluminosa y requiere grandes superficies durante la inspección para su funcionamiento, además de crear problemas durante el transporte. Se ha demostrado [5] que un absorbente de ondas electromagnéticas con un espesor mínimo para un rango determinado puede adoptar la forma de estructuras multicapa.

Es necesario crear un revestimiento protector absorbente basado en la síntesis de una estructura en capas que tenga las propiedades eléctricas necesarias, por ejemplo, un nivel determinado de reflexión y absorción en un determinado rango de frecuencia. Es deseable que dicha estructura tenga un espesor mínimo. Objetivo — sintetizar una capa delgada con una reflectancia mínima. Es obvio que al aumentar el espesor total del recubrimiento, es posible obtener un coeficiente de reflexión arbitrariamente pequeño en el rango de frecuencia (longitud de onda) seleccionado.

Se sabe [3] que no es posible obtener un coeficiente de reflectancia en recubrimientos de película inferior a -10 dB a partir de materiales tradicionales. Dichos recubrimientos se pueden obtener, por ejemplo, formando un conjunto de fibras resistivas ubicadas aleatoriamente de longitud finita debido a múltiples reflexiones en un material absorbente de dispersión.

Aquí y más adelante en el trabajo, consideramos el material en estudio, que es un conjunto de fibras resistivas dispuestas caóticamente de longitud finita. El problema de la dispersión de ondas por un conjunto de conductores no tiene una solución correcta [7]. Es interesante estimar el coeficiente de reflexión (Cotr) y el coeficiente de transmisión (Kproh) de este material tan poco homogéneo. La solución propuesta al problema se basa en los siguientes supuestos y conclusiones de trabajos anteriores:

• el radio a de la fibra es menor que la longitud l de la onda incidente, ka << 1, donde k = 2p/l;
• la aleatoriedad de la orientación de las fibras en el dieléctrico conduce a una disminución del campo reflejado 3 veces en comparación con el caso de la orientación de las fibras paralela al campo eléctrico ;
• la longitud de las fibras, su radio y su conductividad son tales que la reflexión de las corrientes entre los extremos de las fibras puede despreciarse.

Las propiedades del recubrimiento se puede describir mediante las siguientes características.

En primer lugar, la naturaleza del material de revestimiento. En segundo lugar, la reflectancia del recubrimiento y su dependencia angular para diferentes polarizaciones de radiación. El uso de reflectancia para evaluar la efectividad de un recubrimiento permite comparar diferentes tipos de recubrimientos. Cabe señalar que la efectividad real de los recubrimientos puede diferir de los valores de reflectancia medidos según el entorno electromagnético.

Fig. 3. Modelo de recubrimiento:
P pad(q) – la potencia de la onda electromagnética que incide sobre el recubrimiento;
Rotr(q) – el potencia de la onda electromagnética reflejada por el revestimiento;
Рrass(q) – potencia de la onda electromagnética dispersada;
Рproх(q) – potencia de la onda electromagnética que pasa a través del revestimiento;
q – ángulo de incidencia de la onda electromagnética

  Determinemos los coeficientes de reflexión y transmisión de manera estándar, de acuerdo con la ilustración de la Fig. 3:

Kotr (q) = Rotr /Rpad; Kprokh (q) = Rprokh/Rpad. (1)

Tenga en cuenta que en las expresiones dadas los coeficientes correspondientes, por regla general, dependen significativamente del ángulo de incidencia q. Sin embargo, en el caso de utilizar dispersión de radio — material radioabsorbente del tipo “Ternovnik”, esta dependencia se expresa de manera mucho menos significativa debido a la importante isotropía de la radiación dispersada.

Pruebas de varios modos de funcionamiento del OKO-M1 Los georradar se llevaron a cabo utilizando una serie de materiales de protección y dispersión de radio de varios tipos.

En primer lugar, se investigó la posibilidad de utilizar tejidos metalizados con coeficientes de blindaje elevados (alrededor de 60 dB). Sin embargo, resultó que el uso de materiales con alta reflectividad provocaba reflexiones parásitas dentro del circuito blindado y, como resultado, importantes distorsiones del perfil.

Por lo tanto, se propuso como escudo electromagnético un material a granel con conductividad finita y que realiza la función tanto de blindaje de antena como de absorción parcial de EMR. Este tipo de RPM a base de espuma de poliuretano en realidad redujo la influencia de la interferencia sin degradar la imagen del perfil. Pero este tipo de RPM resultó inaceptable desde el punto de vista de su uso en mediciones reales debido a las limitaciones existentes en las propiedades operativas.

El tercer tipo de materiales se basó en RPM multicapa. en radioabsorbente — módulos de dispersión de radio del tipo alfombra Ternovnik, que tienen propiedades de rendimiento aceptables, estabilidad de parámetros en diferentes condiciones climáticas y facilidad de instalación (Tabla 1).

Tabla 1. Características de los materiales del tipo “Espina”

La base que determina las características de rendimiento de los materiales de Ternovnik se trata una película de tereftalato de polietileno con revestimiento metalizado. El material se caracteriza por la resistencia superficial de la película metalizada, el tipo de metal pulverizado y el espesor de la base polimérica a pulverizar.

Un módulo de dicha estructura consta de una base de red en la que se tejen elementos (una película en forma de cintas, disecada en los bordes y retorcida en espiral), que son cilios (vellosidades) que irradian desde el eje (Fig.4). .

Fig. 4. Construcción del material de alfombra tipo “Espina”

Para igualar el espacio libre, cada capa de material debe tener una resistencia efectiva que disminuye gradualmente desde la capa interior a la exterior. Es necesario determinar el valor de la resistencia superficial de la película metalizada, los tipos de metal pulverizado y la base polimérica para la pulverización catódica para lograr una relación adecuada para la disminución de la impedancia característica “efectiva” de las capas a medida que se mueven. lejos de la antena.

Para producir el material tipo “Ternovnik” se utiliza película de tereftalato de polietileno de 20 y 50 micras de espesor, metalizada con aluminio con una resistencia superficial de 5…50 Ohmios y acero inoxidable con una resistencia de 50-400 Ohmios, dependiendo de la reflectancia deseada del recubrimiento. El revestimiento se utiliza tanto en exteriores como en interiores, a temperaturas ambiente de — 60 a +60° C.

Echemos un vistazo más de cerca a la interacción de la señal con el “sistema de antena —”. cobertura.”

La interacción de la radiación GPR con el medio ambiente, incluido el recubrimiento, se ilustra de manera simplificada en la Fig. 5. La onda electromagnética incidente es parcialmente reflejada hacia la antena receptora, parcialmente dispersada por el recubrimiento en diferentes direcciones desde la antena, parcialmente absorbida por el recubrimiento y parcialmente pasa a través del recubrimiento.

Fig. 5. Interacción de la radiación GPR con el medio ambiente, incluido el recubrimiento

 Para un funcionamiento eficaz del dispositivo, es necesario reducir la potencia de interferencia P’pom, la potencia de la radiación «dispersa» P’izl y la potencia de radiación del revestimiento P’neg.

La reducción de la intensidad de las interferencias externas se debe a un único paso a través del revestimiento. Por lo tanto, es posible utilizar materiales de protección finos y muy eficaces.

La reducción de la influencia de la reflexión se debe al doble paso a través de la pantalla. Sin embargo, en este caso surgen problemas con reflexiones perturbadoras del revestimiento de blindaje, que interfieren con el funcionamiento normal de la antena receptora. Por lo tanto, el material de la pantalla, además de un apantallamiento suficiente, también debe garantizar una reducción de su propio coeficiente de reflexión. Este problema se puede resolver utilizando una distribución gradiente de resistencia a las RPM desde la capa interior a la exterior. Según los resultados de nuestra investigación, resultó aconsejable utilizar como capas materiales radioabsorbentes y radiodispersores del tipo «Ternovnik». La conductividad efectiva de las capas aumenta con la distancia a la antena transmisora, igualando así la impedancia de onda y, en consecuencia, reduciendo el coeficiente de reflexión de la pantalla.

Como resultado de este trabajo, Se ha desarrollado una funda ensamblada a partir de cuatro capas de material combinado (radioabsorbente y radiodispersador) del tipo alfombra «Ternovnik-MO-20» con diferentes valores de resistencia superficial de la película original.

Resultó que es aconsejable colocar las capas del recubrimiento volumétrico de interferencia a una cierta distancia (~10 cm) de la superficie de la antena para excluir reflejos agudos de la interfaz de la antena — «Endrino». La distancia requerida la proporciona la forma de la caja a la que se unen las capas de revestimiento.

La consideración de las soluciones conocidas de la ecuación de onda para un medio no homogéneo de capas planas [4] muestra que las capas dieléctricas absorbentes con una dependencia lineal, cuadrática y exponencial de la resistencia óhmica de la capa a lo largo del espesor tienen un espesor mínimo d > 0,35…0,5l, donde l — longitud de onda de trabajo. La más óptima de estas dependencias resultó ser exponencial en d > 0,25l [2], a partir del cual se han desarrollado muchos diseños de absorbentes de ondas electromagnéticas [5].

Las vellosidades de 45 mm de largo y 0,8…1,2 mm de ancho forman una cubierta tipo alfombra con un espesor medio de 5 mm. El espesor total del revestimiento, compuesto por 4 capas de Ternovnik-MO-20, es de 20 cm (d і l/4 = 75/4 = 18,75 cm).

Distribución exponencial La resistencia se puede implementar en forma de una estructura absorbente que consta de n capas del material Ternovnik-MO-20 del mismo espesor [6] con una resistencia que disminuye gradualmente desde la capa interior a la exterior (Fig. 6).

La resistencia óhmica superficial de la película de la primera capa interna es comparable a la resistencia del espacio libre (Z0 = 377 Ohm) y es Z1 = 400 Ohm.

Cada capa siguiente tiene una resistencia la mitad de alta

cada capa anterior [2], es decir,

Z2 = 1/2 Z1 = 200 Ohmios,
Z3 = 1/2 Z2 = 100 Ohmios,
Z4 = 1/2 Z3 = 50 Ohmios.

Fig. 6. Distribución de resistencia sobre el espesor del recubrimiento

Como resultado de la investigación se implementó el siguiente modelo GPR con cobertura RPM. La base de la estructura es un esquí fabricado en plástico vinílico (cloruro de polivinilo). Se coloca una caja de polipropileno con una “espina” de cuatro capas adjunta sobre la antena y se fija al esquí mediante bandas elásticas (foto 1).

a) dentro;

b) exterior
Foto 1. Diseño del georadar “OKO-M1” con cubierta RPM:

La cubierta se probó en un terreno llano cerca de árboles. Se estudió la influencia del tronco y las ramas del abedul, que se muestra en la foto 2 a la derecha, en la imagen del perfil resultante. En la figura. 7, 8 muestra uno de los fragmentos del perfil del georadar con y sin cubierta. En el perfil tomado sin cubierta (Fig. 7), hay una intersección de los ejes en fase de ondas de interferencia de varias formas.

Foto 2. Pruebas de radar de un prototipo

Desde el tronco de abedul ubicado al lado de la línea de observación, los ejes en fase tienen una forma rectilínea; desde las ramas de los árboles, los reflejos del aire tienen la forma de una onda difractada. En la figura. 8 muestra claramente que no hay reflejos múltiples en el tronco de abedul, la intensidad de las ondas de aire-interferencia de las ramas de los árboles es mucho menor.

Fig. 7. Fragmento de un perfil de georadar realizado cerca de
árboles sin cubierta (se utilizó una antena blindada de 400 MHz)

Fig. 8. El mismo fragmento de perfil, realizado con una portada

Para determinar la efectividad del recubrimiento, es necesario estudiar en detalle la forma de la señal en el perfil, utilizando una herramienta llamada «Visor» en el programa GeoScan32 (Fig. 9, 10). En esta ventana puede observar los oscilogramas de cualquier señal incluida en el perfil y determinar su amplitud en cualquier punto. Aparece un marcador correspondiente a la posición del objetivo en la imagen de perfil en la ventana principal del programa GeoScan32. Al seleccionar dos puntos característicos en un trazo, se puede rastrear el cambio en la amplitud tanto de la señal útil como de la interferencia. Las miras indican la amplitud de la señal en unidades arbitrarias. Puede evaluar la eficiencia de la cubierta en decibelios comparando los valores de las amplitudes de la señal útil y la interferencia cuando el georadar opera con y sin cubierta.

En la figura. 9 se puede ver que la atenuación de la señal de interferencia según los datos del oscilograma es 125,67/4, es decir 31,4 veces la intensidad del papel, o 29,9 dB.

Fig. 9. Determinación de la amplitud de la señal dañina en unidades arbitrarias
en perfiles con cubierta (arriba) y sin cubierta (abajo)

En la figura. La Figura 10 muestra un perfil similar y un oscilograma de traza para un georadar con y sin cubierta. La amplificación de la señal útil cuando se utiliza una funda es claramente visible. Una evaluación de la ganancia muestra que la señal útil ha aumentado 960/342,33 = 2,8 veces, o 5,5 dB.

Fig. 10. Determinación de la amplitud de la señal útil en unidades convencionales
en perfiles con tapa (arriba) y sin tapa (abajo)

Para una evaluación integral del nivel de supresión de interferencias, se analizaron siete trazas diferentes del mismo perfil utilizando el método anterior. Para excluir la influencia de otros factores en el resultado, la cubierta se probó en la calle, lejos de edificios, donde no hay objetos. El rodaje se realizó en modo de tiempo continuo. La antena estaba instalada inmóvil en el suelo. Para crear interferencia externa, llevamos algún objeto metálico más allá del georadar. En tales condiciones se registraron dos perfiles: con tapa y sin tapa (Fig. 11). Una comparación de imágenes de perfil muestra que el uso de una cubierta protectora reduce la contribución de la señal parásita reflejada por un objeto metálico (en este caso, una pala) ubicado encima del GPR. Esto se debe, en primer lugar, al efecto de blindaje de la cubierta y, en segundo lugar, a sus propiedades de radioabsorción y dispersión de radio.

Tabla. La Figura 2 muestra los resultados de la evaluación de la reflectividad de siete caminos diferentes.

Tabla 2. Estimación del coeficiente de reflexión de la cubierta

La reflectancia promedio es de 16 dB.

Fig. 11. Probar la cubierta sin ninguna interferencia más que un objeto metálico introducido desde el exterior

La investigación ha confirmado la eficacia del uso de absorbentes de radar multicapa — Materiales de dispersión de radio para proteger el georadar de interferencias electromagnéticas externas y reducir la influencia de reflejos parásitos de objetos en el hemisferio superior del dispositivo. Basado en supuestos teóricos, el complejo de georradar OKO-M1 con una cubierta basada en radioabsorbentes — materiales de dispersión de radio del tipo “Ternovnik”.

La cubierta mostró resultados aceptables tanto en condiciones urbanas como naturales (llanura-estepa). El uso de una cubierta de este tipo permite suprimir las principales interferencias habituales durante las observaciones y obtener material de campo de mucha mayor calidad.

Al mismo tiempo, se identificaron las condiciones bajo las cuales las restricciones en el funcionamiento del GPR no se eliminan por completo mediante el uso de una cubierta del diseño considerado, en particular, cuando se usa en sótanos cerrados con herrajes metálicos. Para resolver este problema, se requiere un mayor desarrollo del diseño de la cubierta, en particular, la adición de una capa (de capas) de blindaje adicional.

1. Vladov M.L., Starovoytov A.V. Introducción al radar de penetración terrestre. Tutorial — M: Editorial de la Universidad Estatal de Moscú, 2004, p. 153.
2. Severin H //IRE Trans. 1956. AP-4, núm. 3, pág. 385.
3. Vinogradov A.P., Lagarkov A.N., Sarychev A.K., Sterlina I.G. //RE, 1996, T. 41, No. 2, p. 158— 161.
4. Brekhovsky L.M. Ondas en medios en capas. M.: Editorial de la Academia de Ciencias de la URSS, 1957, p. 149.
5. Los Ángeles. Mukharev //RE, 1996, T. 41, No. 8, p. 915— 917.
6. Walter K. IRE Trans. 1960, AP-8. No. 6, r. 608.
7. Pereverzev S.I. //RE, 1994, T. 36, No. 4, p. 1734.