Método de contacto de antena para detectar objetos locales en entornos cubiertos.

Método de contacto de antena para detectar local objetos en entornos de cobertura.

Se propone un nuevo método para detectar objetos locales en un medio semiconductor.

La esencia del método es utilizar el objeto de búsqueda como antena transmisora.

El método permite determinar sus dimensiones geométricas y propiedades eléctricas con un solo contacto con el objeto buscado, lo que aumenta significativamente la objetividad de la información recibida y la velocidad de búsqueda.

En los últimos años, el problema de la búsqueda de pequeños objetos fabricados por el hombre en entornos refugio ha atraído la atención de un número cada vez mayor de especialistas en diversos campos de actividad: arqueología, construcción, desminado humanitario, etc.

Se sabe que la mayor objetividad de la información proporciona una aplicación integral de los métodos de búsqueda con y sin contacto.

El método de sondeo mecánico del suelo es conocido por el hombre desde en la antigüedad [1, 2] y se implementa mediante sondas.

Actualmente, se incluyen sondas similares en los kits de muchos detectores de metales.

Proporcionan diferentes profundidades para sondear el entorno de cobertura.

Por lo tanto, la sonda de profundidad Vladimirov está diseñada para sondear suelos naturales a una profundidad de hasta 2 metros y suelos sueltos a más de 3,5 metros. .

El taladro del zapador te permitirá sondear a una profundidad de hasta 10 metros. La desventaja de este método es la incapacidad de reconocer la heterogeneidad identificada por el método de contacto y, como consecuencia, la baja velocidad de búsqueda.

Los métodos eléctricos de contacto para detectar objetos en el suelo se han utilizado ampliamente en la exploración eléctrica de minerales desde principios del siglo XX [3, 4].

La esencia de estos métodos (resistencias , cuerpos cargados, etc.) es corregir las distorsiones de los campos eléctricos o magnéticos externos que se producen cuando la corriente fluye alrededor de un objeto de búsqueda ubicado en el suelo.

A pesar de la simplicidad y relativa baratura de la implementación técnica de este método, requiere mucha mano de obra. Además, la ambigüedad en la interpretación de los resultados de las mediciones complica significativamente el reconocimiento del objeto buscado.

El método fundamentalmente nuevo de contacto de antena presentado en este artículo para detectar objetos locales en entornos de cobertura permite con un solo contacto con el objeto buscado, determinar sus dimensiones geométricas y propiedades eléctricas, lo que aumenta significativamente la objetividad de la información recibida y la velocidad de búsqueda.

Hasta cierto punto, combina las capacidades de los métodos de contacto y sin contacto.

La base física del método es utilizar el objeto de búsqueda, durante el período de contacto, como un antena transmisora ​​(Fig. 1).

La señal al objeto de búsqueda proviene del generador transmisor a través de la punta conectada a su salida.

La punta está eléctricamente aislada y blindada del resto de la estructura, ubicada en el extremo de la sonda y actúa como contacto entre el generador transmisor y el objeto de búsqueda ubicado en el suelo.

La señal del objeto de búsqueda llega a través de la antena receptora y el receptor al dispositivo indicador.

El generador transmisor, la antena receptora, el receptor y el dispositivo indicador pueden estar ubicados estructuralmente en una carcasa.

Una de las características importantes del método es la capacidad de determinar las dimensiones geométricas del objeto de búsqueda.

Fig. 1. Buscar objetos escondidos utilizando el método de contacto de antena

La tarea es difícil para realizar cálculos teóricos precisos, porque Se considera el paso de una onda electromagnética en la zona cercana en dos medios: un medio de cobertura, normalmente semiconductor, y un medio en el que se realizan las mediciones, en la mayoría de los casos dieléctrico.

Consideremos la solución a este problema para el caso especial de encontrar el objeto de búsqueda en un medio conductor y el equipo de búsqueda en uno dieléctrico. El objeto de búsqueda se aproxima mediante una bola conductora. El equipo de búsqueda está ubicado directamente encima del objeto de búsqueda.

El objeto de búsqueda conectado al generador transmisor se puede representar como un emisor elemental de Hertz de tipo eléctrico. Como se sabe [5 – 8], un vibrador eléctrico, impulsado por una corriente armónica, excita un campo electromagnético casi esférico en el espacio circundante. Las amplitudes complejas de los componentes de campo de un objeto de búsqueda ubicado en un medio de cobertura semiconductor en un sistema de coordenadas esféricas (Fig. 2) se pueden presentar en la forma [5, 8, 9]:

(1)

(2)

, (3)

donde:
Es decir, amplitud actual en el objeto de búsqueda , A;
l – longitud reducida del objeto de búsqueda, m;
R, q – coordenadas esféricas;
– Constante dieléctrica compleja de un medio semiconductor:

, (4)

g us – eléctrico específico conductividad del medio de cobertura, S/m;
e us – constante dieléctrica absoluta del medio de cobertura, F/m;
w – frecuencia angular de la señal del generador transmisor, Hz;
k – número de onda en el medio con pérdidas:

, (5)

m о – constante magnética, H/m:
ko – número de onda en un medio dieléctrico y en un medio sin pérdidas:

(6)

a – constante de atenuación (coeficiente de absorción) del medio de cobertura:

, (7)

b – constante de fase (coeficiente de fase) del medio de cobertura:

, (8)

Fig. 2. Objeto de búsqueda conectado al generador transmisor, representado como un emisor elemental de Hertz en un sistema de coordenadas esférico

Condiciones de contorno en la interfaz de dos medios semiconductores [5 ]:

, (9)

, (10)

– componentes complejos normales y tangenciales del campo eléctrico del objeto de búsqueda en el entorno de medición;

– componentes complejos normales y tangenciales del campo eléctrico del objeto de búsqueda en el medio de ocultación.

Porque en la gran mayoría de los casos, la antena receptora estará ubicada cerca de la interfaz, luego

, (11 )

donde es el valor de la intensidad del campo creado por el objeto de búsqueda en la ubicación de la antena receptora.

El medio de cobertura puede considerarse casi conductor si se cumplen las siguientes condiciones:

. (12)

En la tabla se presenta el rango de frecuencias en el que se cumple la condición (12) para varios tipos de medios de cobertura. 1.

Tabla 1. Características electromagnéticas y rango de frecuencia que satisfacen la condición de cuasi-conductividad del medio de cobertura principal

Ecuaciones (1) – (3) para un medio conductor, cuando el equipo de búsqueda está ubicado directamente encima del objeto de búsqueda (q = 900 ) y durante el registro sólo se puede representar el componente eléctrico en forma de una ecuación:

, (13)

donde nq es una función de la amplitud decreciente del campo en un medio conductor:

, (14)

donde x es la distancia numérica desde el punto de observación hasta el emisor en unidades de campos de profundidad de penetración:

, (15)

donde d son los campos de profundidad de penetración en un medio conductor, m:

, (16)

Las condiciones de contorno para las condiciones descritas anteriormente y en tomarán la forma:

. (17)

En la figura. La Figura 3 muestra la dependencia del aumento relativo de la señal en la antena receptora del objeto de búsqueda de varias longitudes reducidas a una frecuencia de 1 MHz. La dependencia teórica se obtuvo de las expresiones (13 – 17). Los valores experimentales se obtuvieron utilizando objetos de búsqueda que tenían diferentes longitudes reducidas (foto 1).

Fig. 3. Aumento relativo de la señal en la antena receptora del objeto de búsqueda de diferentes longitudes reducidas, donde
1 – dependencia teórica;
2 – valores experimentales;
3 – curva que extrapola los resultados de estudios experimentales

El análisis de estas dependencias muestra que la señal recibida tiene una tendencia constante a aumentar con el aumento de las dimensiones geométricas del objeto de búsqueda.

Foto 1. Buscar objetos (bolas y placas de metal)

Cabe señalar que al colocar equipos de medición en el entorno donde se encuentran los objetos de búsqueda (por ejemplo, cuando un buzo está sondeando el fondo de un embalse), solo se resuelven las ecuaciones (13) – (16).

Los estudios experimentales también demostraron que a frecuencias significativamente más altas es posible buscar objetos artificiales hechos de materiales dieléctricos.

El análisis de estudios teóricos y experimentales permite sacar las siguientes conclusiones:

• El método de contacto de antena se puede utilizar para detectar objetos locales en entornos de cobertura.
• El método permite determinar sus dimensiones geométricas y propiedades eléctricas con un solo contacto con el objeto de búsqueda.

Este método está patentado [10].

Actualmente, esta idea se implementa en un prototipo de sonda de contacto electrónica diseñada para buscar objetos metálicos. en un ambiente cubierto (foto 2). Las pruebas de campo han demostrado la promesa de utilizar este método con fines de desminado humanitario. Aunque, según los autores, la aplicabilidad de este método es mucho más amplia: arqueología, construcción, búsqueda de comunicaciones subterráneas, etc.

Foto 2. Un prototipo de sonda de contacto electrónica
diseñada para buscar objetos metálicos en un entorno cubierto

Los autores expresan su gratitud a Stanislav Ivanovich Mironov por su ayuda en la creación de la configuración experimental y el prototipo.

Referencias:
1. Shcherbakov G.N. Detección de objetos en entornos escondidos. Para ciencia forense, arqueología, construcción y antiterrorismo. M.: Arbat-Inform, 1998.
2. Shcherbakov G.N. Detección de objetos ocultos para desminado humanitario, forense, arqueología, construcción y antiterrorismo. M.: Arbat-Inform, 2004.
3. Zhdanov M.S. Prospección eléctrica. M.: Nedra, 1986.
4. Yakubovsky Yu.V., Lyakhov L.L. Prospección eléctrica. M.: Nedra, 1982.
5. Bessonov L.A. Fundamentos teóricos de la ingeniería eléctrica. M.: Escuela Superior, 1973.
6. Dolukhanov M.P. Propagación de ondas de radio. M.: Gosizdat, 1960.
7. Belotserkovsky G.B. Fundamentos de ingeniería radioeléctrica y antenas. Parte II. Antenas. M.: Radio Soviética, 1969.
8. Ogorodneychuk I.F., Zhuravlem I.Ya., Yatshishin V.I. Comunicaciones inalámbricas de baja frecuencia en minas. M.: Nedra, 1975.
9. La comunicación por radio en los medios de comunicación./Korchagin Yu.A., Salomatov V.P., Chernov A.A. Novosibirsk: ciencia. Hermano. Departamento, 1990, 148 p.
10. Sonda de detección de metales. Patente RU 37843 U1. Prioridad 6 de febrero de 2004.

SHCHERBAKOV Grigory Nikolaevich, profesor, doctor en ciencias técnicas
ANTSELEVICH Mikhail Aleksandrovich, doctor en ciencias técnicas
UDINTSEV Dmitry Nikolaevich, candidato de ciencias técnicas
MERKUSHIN Yuri Maksimovich,
VOSTRIKOV Dmitry Vladimirovich.