ГОРБАТЕНКО Ольга Николаевна,
БИБИКОВ Сергей Борисович, кандидат физико-математических наук
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ - РАДИОРАССЕИВАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ГЕОРАДАРА ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ
Рассматривается проблема экранировки георадара типа ОКО-М1 в различных условиях электромагнитной обстановки. Исследуется вопрос выбора многослойного покрытия оптимальной толщины, обладающего необходимым уровнем отражения и поглощения.
В современной георадиолокационной аппаратуре широко применяются различные типы антенн, например дипольные антенны типа “бабочка”. Конструктивно антенна представляет собой плечи диполя, выполненные в виде двух плоских металлических треугольников (рис. 1). В этом случае и излучающая, и приемная пара треугольников закреплены на единой подложке, которая протаскивается непосредственно по поверхности грунта. Такие антенны обеспечивают симметричную диаграмму направленности, где помимо главных лепестков присутствуют и боковые (рис. 2). При реальной работе прибора рассеяние и отражение излучения в верхнюю полусферу (задний лепесток) может существенно исказить картину принимаемого сигнала, поэтому актуальным является вопрос экранировки георадара с целью подавления излучения в верхнее полупространство.
Рис. 1. Схема дипольной антенны типа “бабочка”
Рис. 2. Диаграмма направленности дипольной антенны типа “бабочка”
В георадарах типа ОКО предусмотрена сверху экранировка специальным проводящим и поглощающим композиционным материалом [1]. По сравнению с неэкранированными дипольными антеннами такая конструкция позволяет получить приемлемые результаты вследствие частичного подавления основных регулярных помех в процессе наблюдения. Но этой экранировки недостаточно. Исследования показали, что для увеличения экранировки имеет смысл использовать радиопоглощающие материалы (РПМ).
Целью настоящей работы является исследование возможности использования РПМ для повышения характеристик и надежности георадара типа ОКО-М1 с центральной частотой 400 МГц в различных условиях электромагнитной обстановки.
Проблема выбора поглотителя электромагнитных волн дециметрового и метрового диапазонов на основе объемных проводящих материалов состоит в том, что такие конструкции, как правило, обеспечивают желаемый уровень поглощения при толщине, сравнимой с длиной волны, и имеют значительную высоту (до 3…4 м) для длинноволнового диапазона. Покрытие, состоящее из таких поглотителей, представляет собой громоздкую конструкцию и требует для своего функционирования больших площадей при обследовании, а также создает проблемы при транспортировке. Показано [5], что поглотитель электромагнитных волн, обладающий минимальной толщиной для заданного диапазона, может иметь вид многослойных структур.
Необходимо создание поглощающего экранирующего покрытия на основе синтеза слоистой структуры, обладающей необходимыми электрофизическими свойствами, например заданным уровнем отражения и поглощения в некотором диапазоне частот. При этом желательно, чтобы такая структура обладала минимальной толщиной. Цель - синтезировать тонкое покрытие с минимальным коэффициентом отражения. Очевидно, что, увеличивая общую толщину покрытия, можно получить сколь угодно малый коэффициент отражения в выбранном интервале частот (длин волн).
Известно [3], что получить коэффициент отражения на пленочных покрытиях менее -10 дБ из традиционных материалов не удается. Такие покрытия могут быть получены, например, образуя ансамбль хаотически расположенных резистивных волокон конечной длины за счет многократных переотражений в рассеивающем поглощающем материале.
Здесь и далее в работе рассматривается исследуемый материал, представляющий собой ансамбль хаотически расположенных резистивных волокон конечной длины. Проблема рассеяния волн ансамблем проводников не имеет корректного решения [7]. Представляет интерес оценка коэффициента отражения (Котр) и прохождения (Кпрох) этого очень неоднородного материала. Предлагаемое решение задачи основывается на следующих предположениях и выводах из предыдущих работ:
- радиус a волокна меньше длины l падающей волны, ka <<1, где k = 2p/l;
- хаотичность ориентации волокон в диэлектрике приводит к уменьшению отраженного поля в 3 раза по сравнению со случаем ориентации волокон параллельно электрическому полю;
- длина волокон, их радиус и проводимость таковы, что можно пренебречь переотражением токов между концами волокон.
Свойства покрытия можно описать следующими характеристиками.
Во-первых, характером материала покрытия. Во-вторых, коэффициентом отражения покрытия и его угловой зависимостью при различной поляризации излучения. Применение коэффициента отражения для оценки эффективности покрытия позволяет сравнить различные типы покрытий. Следует учесть, что реальная эффективность покрытий может отличаться от измеренных значений коэффициента отражения в зависимости от условий электромагнитной обстановки.
Рис. 3. Модель покрытия:
Р пад(q ) – мощность электромагнитной волны, падающей на покрытие;
Ротр(q ) – мощность электромагнитной волны, отраженной от покрытия;
Ррасс(q ) – мощность рассеянной электромагнитной волны;
Рпрох(q ) – мощность электромагнитной волны, прошедшей через покрытие;
q – угол падения электромагнитной волны
Определим коэффициенты отражения и прохождения стандартным образом, в соответствии с иллюстрацией на рис. 3:
Котр (q ) = Ротр /Рпад; Кпрох (q) = Рпрох /Рпад. (1)
Отметим, что в приведенных выражениях соответствующие коэффициенты, как правило, существенно зависят от угла падения q . Однако в случае использования радиорассеивающего - радиопоглощающего материала типа “Терновник” эта зависимость выражена гораздо менее существенно из-за значительной изотропии рассеянного излучения.
Были проведены испытания различных режимов работы георадара ОКО-М1 с применением ряда радиоэкранирующих и радиорассеивающих материалов различных типов.
Прежде всего была исследована возможность применения металлизированных тканей с высокими коэффициентами экранирования (порядка 60 дБ). Однако оказалось, что использование таких материалов, обладающих высоким коэффициентом отражения, приводило к паразитным переотражениям внутри экранируемого контура и, как следствие, к существенным искажениям профиля.
Поэтому в качестве электромагнитного экрана был предложен объемный материал, обладающий конечной проводимостью и выполняющий функцию как экранировки антенны, так частичного поглощения ЭМИ. Такой тип РПМ на основе пенополиуретана действительно снижал влияние помехи без ухудшения картины профиля. Но этот тип РПМ оказался не приемлем с точки зрения его использования в реальных измерениях из-за существующих ограничений эксплуатационных свойств.
Третьим типом материалов были многослойные РПМ на основе радиопоглощающих - радиорассеивающих модулей коврового типа “Терновник”, обладающие приемлемыми эксплуатационными свойствами, стабильностью параметров при различных климатических условиях и простотой монтажа (табл. 1).
Таблица 1. Характеристики материалов типа “Терновник”
Характеристика | “Терновник-МО” | “Терновник-МО-20” | “Терновник-2МО” |
| Масса на 1 м2, кг | 0,4 | 0,5 | 0,6 |
| Окраска | одно-, двух-, трехцветная | ||
| Цвета окраски | любой из семи цветов спектра | ||
| Коэффициент отражения (дБ) в диапазоне волн, см: | |||
| 0,8 – 3,2 | -17 | -20 | -25 |
| 3,2 – 5,0 | -17 | -20 | -20 |
| 5,0 – 10,0 | -17 | -20 | -15 |
| 10,0 – 20,0 | -10 | -15 | -10 |
| Диапазон рабочих температур, °С | -40…+60 | ||
| Размеры элемента, м | 2х3 | ||
| Водопоглощение, % | < 20 | ||
| Стойкость к воде, пыли, грязи, ГСМ, моющим растворам | стойкие | ||
| Поляризация | не обладает поляризационными свойствами | ||
| Горючесть | исходное сырье – трудногорючее | ||
Основа, определяющая эксплуатационные характеристики материалов “Терновник” – обработанная полиэтилентерефталатная пленка с металлизированным покрытием. Материал характеризуется поверхностным сопротивлением металлизированной пленки, видом напыляемого металла и толщиной полимерной основы для напыления.
Модуль такой структуры состоит из сетевой основы, в которую вплетены элементы (пленка в виде лент, рассеченных по краям и скрученных в спираль), представляющие собой радиально расходящиеся от оси реснички (ворсинки) (рис. 4).
Рис. 4. Конструкция материала коврового типа “Терновник”
Для согласования со свободным пространством каждый слой материала должен обладать эффективным сопротивлением, убывающим постепенно от внутреннего слоя к наружному. Необходимо определить значение поверхностного сопротивления для металлизированной пленки, типы напыляемого металла и полимерной основы для напыления, чтобы добиться подходящей зависимости снижения “эффективного” волнового сопротивления слоев по мере удаления их от антенны.
Для изготовления материала типа “Терновник” используется полиэтилентерефталатная пленка толщиной 20 и 50 мкм, металлизированная алюминием с поверхностным сопротивлением 5…50 Ом и нержавеющей сталью с сопротивлением 50...400 Ом в зависимости от нужного коэффициента отражения покрытия. Покрытие эксплуатируется как на открытом воздухе, так и в закрытых помещениях, при температуре окружающей среды от - 60 до +60° С.
Рассмотрим подробнее взаимодействие сигнала с системой “антенна - покрытие”.
Взаимодействие излучения георадара со средой, включая покрытие, упрощенно проиллюстрировано на рис. 5. Падающая электромагнитная волна частично отражается в направлении на приемную антенну, частично рассеивается покрытием в различные от антенны стороны, частично поглощается покрытием и частично проходит через покрытие.
Рис. 5. Взаимодействие излучения георадара со средой, включая покрытие
Для эффективной работы прибора необходимо снижение мощности помех Р'пом, мощности “паразитного” излучения Р'изл и мощности излучения от покрытия Р'отр.
Снижение интенсивности внешней помехи обусловлено однократным прохождением через покрытие. Поэтому возможно применение тонких высокоэффективных экранирующих материалов.
Снижение влияния переотражения обусловлено двукратным прохождением через экран. Однако в этом случае возникают проблемы интерференционных переотражений от экранирующего покрытия, мешающих нормальной работе приемной антенны. Поэтому материал экрана, кроме достаточной экранировки, должен также обеспечивать снижение собственного коэффициента отражения. Эта задача может быть решена применением градиентного распределения сопротивления РПМ от внутреннего слоя к наружному. В качестве слоев по результатам наших исследований оказалось целесообразным использовать радиопоглощающие-радиорассеивающие материалы типа “Терновник”. Эффективная проводимость слоев увеличивается по мере удаления из от передающией антенны, обеспечивая тем самым согласование волнового сопротивления и, следовательно, снижение коэффициента отражения от экрана.
В результате проведения этих работ разработан чехол, который набирается из четырех слоев комбинированного (радиопоглощающего и радиорассеивающего) материала коврового типа “Терновник-МО-20” с различными значениями поверхностного сопротивления исходной пленки.
Оказалось, что слои интерференционного объемного покрытия целесообразно располагать на некотором расстоянии (~10 см) от поверхности антенны, чтобы исключить резкое отражение от границы раздела антенна - “Терновник”. Необходимое расстояние обеспечивает форма короба, к которому крепятся слои покрытия.
Рассмотрение известных решений волнового уравнения для плоскослоистой неоднородной среды [4] показывает, что поглощающие диэлектрические слои с линейной, квадратичной и экспоненциальной зависимостью омического сопротивления слоя по толщине имеют минимальную толщину d > 0,35…0,5l, где l - рабочая длина волны. Наиболее оптимальной из таких зависимостей оказалась экспоненциальной при d > 0,25l [2], на основе чего было разработано множество конструкций поглотителей электромагнитных волн [5].
Ворсинки длиной 45 мм и шириной 0,8…1,2 мм образуют покрытие коврового типа средней толщины 5 мм. Общая толщина покрытия, состоящего из 4 слоев “Терновника-МО-20”, составляет 20 см (d і l/4 = 75/4 = 18,75 см).
Экспоненциальное распределение сопротивления может быть реализовано в виде поглощающей структуры, состоящей из n слоев материала “Терновник-МО-20” одинаковой толщины [6] c сопротивлением, постепенно убывающим от внутреннего слоя к наружному (рис. 6).
Поверхностное омическое сопротивление пленки первого внутреннего слоя сравнимо с сопротивлением свободного пространства (Z0 = 377 Ом) и составляет Z1 = 400 Ом.
Каждый следующий слой имеет сопротивление в два раза меньшее
каждого предыдущего [2], т.е.
Z2 = 1/2 Z1 = 200 Ом,
Z3 = 1/2 Z2 = 100 Ом,
Z4 = 1/2 Z3 = 50 Ом.
Рис. 6. Распределение сопротивления по толщине покрытия
В результате исследований был реализован следующий макет георадара с чехлом из РПМ. Основание конструкции представляет собой лыжу из винипласта (поливинилхлорида). Короб из полипропилена с прикрепленным четырехслойным “Терновником” надевается на антенну и крепится к лыже с помощью эластичных жгутов (фото 1).
а) внутри;
б) снаружи
Фото 1. Конструкция георадара “ОКО-М1” с РПМ чехлом:
Чехол испытывался в условиях равнинной местности вблизи деревьев. Исследовалось влияние ствола и веток березы, показанной на фото 2 справа, на картину получаемого профиля. На рис. 7, 8 приведен один из фрагментов георадиолокационного профиля с чехлом и без чехла. На профиле, снятом без чехла (рис. 7), наблюдается пересечение осей синфазности волн-помех различной формы.
Фото 2. Радиолокационные испытания макетного образца
От ствола березы, находящегося сбоку от линии наблюдения, оси синфазности имеют прямолинейную форму, от ветвей деревьев воздушные отражения имеют вид дифрагированной волны. На рис. 8 отчетливо видно, что многократное отражение от ствола березы отсутствует, интенсивность воздушных волн-помех от ветвей деревьев значительно меньше.
Рис. 7. Фрагмент георадиолокационного профиля, выполненного вблизи
деревьев без чехла (использовалась экранированная антенна 400 МГц)
Рис. 8. Тот же фрагмент профиля, выполненный с чехлом
Для определения эффективности работы покрытия необходимо подробно исследовать форму сигнала в профиле, воспользовавшись инструментом, называемым в программе GeoScan32 “Визиркой” (рис. 9, 10). В этом окне можно наблюдать осциллограммы любого сигнала, входящего в профиль, и определить его амплитуду в любой точке. На изображении профиля в основном окне программы GeoScan32 появляется маркер, соответствующий положению визирки. Выбирая две характерные точки на одной трассе, можно проследить изменение амплитуды как полезного сигнала, так и помехи. На визирках указана амплитуда сигнала в условных единицах. Оценить эффективность работы чехла в децибелах можно, сравнивая значения амплитуд полезного сигнала и помех при работе георадара с чехлом и без чехла.
На рис. 9 видно, что ослабление сигнала помехи по данным осциллограммы составляет величину 125,67 / 4, т.е. в 31,4 раза по напряженности роля, или 29,9 дБ.
Рис. 9. Определение амплитуды вредного сигнала в условных единицах
на профилях с чехлом (вверху)и без чехла (внизу)
На рис. 10 представлен аналогичный профиль и осциллограмма трассы для георадара с чехлом и без чехла. Хорошо видно усиление полезного сигнала в случае применения чехла. Оценка величины усиления показывает, что полезный сигнал усилился в 960 / 342,33 = 2,8 раза, или на 5,5 дБ.
Рис. 10. Определение амплитуды полезного сигнала в условных единицах
на профилях с чехлом (вверху) и без чехла (внизу)
Для интегральной оценки уровня подавления помех приведенным выше способом были проанализированы семь разных трасс одного профиля. Чтобы исключить влияние на результат каких-либо прочих факторов, проведены испытания чехла на улице вдали от зданий, где нет объектов. Съемку производили в непрерывном режиме по времени. Антенна устанавливалась неподвижно на земле. Для создания внешней помехи мимо георадара проносим какой-либо металлический предмет. В таких условиях зафиксированы два профиля: с чехлом и без чехла (рис. 11). Сравнение картин профилей показывает, что применение экранирующего чехла снижает вклад паразитного сигнала, отраженного от металлического предмета (в данном случае лопаты), находящегося над георадаром. Это обусловлено, во-первых, экранирующим эффектом чехла и, во-вторых, его радиопоглощающими и радиорассеивающими свойствами.
В табл. 2 приведены результаты оценки коэффициента отражения семи различных трасс.
Таблица 2. Оценка коэффициента отражения чехла
№ трассы | Амплитуда сигнала в у.е. (без чехла) | Амплитуда сигнала в у.е. (с чехлом) | Расчетный коэффициент отражения, дБ |
1 | 362,11 | 25,80 | 22,95 |
2 | 438,11 | 93,92 | 13,38 |
3 | 393,59 | 63,11 | 15,89 |
4 | 448,52 | 96,63 | 13,33 |
5 | 453,95 | 84,66 | 14,58 |
6 | 399,19 | 61,71 | 16,22 |
7 | 422,52 | 74,10 | 15,12 |
Среднее значение коэффициента отражения составляет 16 дБ.
 |  |
 |  |
Рис. 11. Испытания чехла без воздействия каких-либо помех, кроме вносимого извне металлического предмета
Исследования подтвердили эффективность использования многослойных радиопоглощающих - радиорассеивающих материалов для защиты георадара от внешних электромагнитных помех и для снижения влияния паразитных переотражений от объектов верхней полусферы прибора. На основе теоретических предположений был изготовлен и испытан в реальных условиях комплекс георадар ОКО-М1 с чехлом на основе радиопоглощающих - радиорассеивающих материалов типа “Терновник”.
Чехол показал приемлемые результаты как в городских, так и в естественных природных условиях (равнинно-степных). Использование чехла данного типа позволяет подавить основные регулярные помехи в процессе наблюдений и получить гораздо более качественный полевой материал.
Вместе с тем были выявлены условия, при которых ограничения на эксплуатацию георадара полностью не устраняются применением чехла рассмотренной конструкции, в частности, при использовании в условиях закрытых подвальных помещений с металлической арматурой. Для решения этой проблемы требуется дальнейшая разработка конструкции чехла, в частности, добавление дополнительного экранирующего слоя (слоев).
Литература
1. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию. Учебное пособие - М: Издательство МГУ, 2004, с. 153.
2. Severin H // IRE Trans. 1956. AP-4, № 3, р. 385.
3. Виноградов А.П., Лагарьков А.Н., Сарычев А.К., Стерлина И.Г. // РЭ, 1996, Т. 41, № 2, с. 158 - 161.
4. Бреховский Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Издательство АН СССР, 1957, с. 149.
5. Л.А. Мухарев // РЭ, 1996, Т. 41, № 8, с. 915 - 917.
6. Walter К. IRE Trans. 1960, AP-8. № 6, р. 608.
7. Переверзев С.И.// РЭ, 1994, Т. 36, № 4, с. 1734.
Статья опубликована на сайте: 01.06.2007