ЩЕРБАКОВ Григорий Николаевич, профессор, доктор технических наук
АНЦЕЛЕВИЧ Михаил Александрович, доктор технических наук
УДИНЦЕВ Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук
МЕРКУШИН Юрий Максимович,
ВОСТРИКОВ Дмитрий Владимирович.

Антенно-контактный метод обнаружения локальных объектов в укрывающих средах

Предлагается новый метод обнаружения локальных объектов в полупроводящей среде. Суть метода заключается в использовании объекта поиска в качестве передающей антенны. Метод позволяет при однократном контакте с объектом поиска определять его геометрические размеры и электрические свойства, что значительно повышает объективность получаемой информации и скорость поиска.

В последние годы проблема поиска рукотворных малоразмерных объектов в укрывающих средах привлекает внимание все большего круга специалистов различных областей деятельности: археология, строительство, гуманитарное разминирование и т.д.

Известно, что наибольшую объективность информации обеспечивает комплексное применения контактных и неконтактных методов поиска.

Метод механического зондирования грунта известен человеку издревле [1, 2] и реализуется с использованием щупов-зондов. В настоящее время подобные щупы имеются в комплектах многих металлоискателей. Они обеспечивают различную глубину зондирования укрывающей среды. Так, глубинный щуп Владимирова предназначен для прощупывания естественных грунтов на глубине до 2 метров, а разрыхленных – более 3,5 метров. Бур сапера позволят зондировать на глубине до 10 метров. Недостатком данного метода является отсутствие возможности распознавания выявленной контактным методом неоднородности и, как следствие, низкая скорость поиска.

Контактные электрические методы обнаружения объектов в грунте широко используются в электроразведке полезных ископаемых с начала ХХ века [3, 4]. Сущность этих методов (сопротивлений, заряженного тела и др.) заключается в фиксации искажений внешнего электрического или магнитного полей, возникающих при обтекании током объекта поиска, находящегося в грунте. При простоте и относительной дешевизне технической реализации данного метода, он весьма трудоемок. Кроме того, неоднозначность интерпретации результатов измерений значительно затрудняет распознавание объекта поиска.

Представленный в данной статье принципиально новый, антенно-контактный метод обнаружения локальных объектов в укрывающих средах позволяет при однократном контакте с объектом поиска определять его геометрические размеры и электрические свойства, что значительно повышает объективность получаемой информации и скорость поиска. Он в определенной степени сочетает в себе возможности контактных и неконтактных методов.

Физическая основа метода заключается в использовании объекта поиска, на период контакта, в качестве передающей антенны (рис. 1). Сигнал на объект поиска поступает с передающего генератора через подключенный к его выходу наконечник. Наконечник электрически изолирован и экранирован от остальной конструкции, располагается на конце щупа и выполняет роль контакта между передающим генератором и объектом поиска, находящемся в грунте. Сигнал от объекта поиска поступает через приемную антенну и приемник на индикаторное устройство. Передающий генератор, приемная антенна, приемник и индикаторное устройство могут конструктивно располагаться в одном корпусе.

Одними из важных характеристик метода являются способность определять геометрические размеры объекта поиска.

Рис. 1. Поиск объектов в укрывающих средах антенно-контактным методом

Задача сложна для точного теоретического расчета, т.к. рассматривается прохождение электромагнитной волны в ближней зоне в двух средах: укрывающей, как правило, полупроводящей, и среде, в которой проводятся измерения, в большинстве случаев диэлектрической.

Рассмотрим решение данной задачи для частного случая нахождения объекта поиска в проводящей среде, а поисковой аппаратуры в диэлектрической. Объект поиска аппроксимируется проводящим шаром. Поисковая аппаратура находится прямо над объектом поиска.

Объект поиска, подключенный к передающему генератору, может быть представлен в виде элементарного излучателя Герца электрического типа. Как известно [5 – 8], электрический вибратор, обтекаемый гармоническим током, возбуждает в окружающем пространстве квазисферическое электромагнитное поле. Комплексные амплитуды составляющих поля объекта поиска, находящегося в полупроводящей укрывающей среде, в сферической системе координат (рис. 2.) могут быть представлены в виде[5, 8, 9]:

(1)

(2)

, (3)

где:
I_э – амплитуда тока в объекте поиска, А;
l – приведенная длина объекта поиска, м;
R, q – сферические координаты;
– комплексная диэлектрическая проницаемость полупроводящей среды:

, (4)

g _ус –удельная электрическая проводимость укрывающей среды, См/м;
e _ус – абсолютная диэлектрическая проницаемость укрывающей среды, Ф/м;
w – угловая частота сигнала передающего генератора, Гц;
k – волновое число в среде с потерями:

, (5)

m _о – магнитная постоянная, Гн/м:
k_о – волновое число в диэлектрической среде и в среде без потерь:

(6)

a – постоянная затухания (коэффициент поглощения) укрывающей среды:

, (7)

b – фазовая постоянная (коэффициент фазы) укрывающей среды:

, (8)

 

Рис. 2. Объект поиска, подключенный к передающему генератору, представленный в виде элементарного излучателя Герца в сферической системе координат

Граничные условия на поверхности раздела двух полупроводящих сред [5]:

, (9)

, (10)