ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №12

УДК: 621.396.96; 537.871

Численный расчет импульсного излучения

дипольной антенны на границе двух сред

И.В. Прокопович

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

108840, Москва, г. Троицк, Калужское ш., 4

Статья поступила в редакцию 21 мая 2024 г.

Аннотация. В работе разбирается задача численного моделирования импульсного излучения дипольной антенны, лежащей на границе раздела воздуха и диэлектрической среды. Приводится краткое описание возможностей моделирования методом конечных разностей во временной области, реализованных в программном пакете gprMax. Для контроля полученных численных результатов приведено их сопоставление с известными аналитическими решениями двумерных задач излучения бесконечно длиной линии с током, лежащей на границе раздела двух сред, рассматривается диаграмма направленности как в частотной, так и во временной области. Показано, что аналитическое и численное решение при подсчете диаграммы направленности импульсного излучения дают эквивалентные результаты. Отмечены недостатки численного подхода, который хорошо справляется с расчетами в ближней зоне, а оценки сигнала в дальней зоне могут потребовать чрезмерных вычислительных, в том числе временны́х, ресурсов даже для относительно простой двумерной задачи. Также численно рассчитаны трехмерные диаграммы направленности импульсного излучения конечной дипольной антенны в ближней зоне. Полученные результаты можно использовать в практике георадиолокации для выбора схемы проведения георадарной съемки. Примерам расчета ослабления сигнала по формуле радиолокации с учетом численно подсчитанных диаграмм направленности посвящен последний раздел работы.

Ключевые слова: георадар, gprMax, дипольная антенна, диаграмма направленности, формула радиолокации, глубина зондирования.

Финансирование: работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-12-00083.

Автор для переписки: Прокопович Игорь Валерьевич, prokop@izmiran.ru

Литература

1. Warren C., Giannopoulos A. Characterisation of a ground penetrating radar antenna in lossless homogeneous and lossy heterogeneous environments // Signal Processing. – 2017. – V. 132. – P. 221-226. https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2016.04.010

2. Berkut A.I., Edemsky D.E., Kopeikin V.V., Morozov P.A., Prokopovich, I.V., Popov A.V. Deep penetration subsurface radar: hardware, results, interpretation // 2017 9th International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar (IWAGPR). – IEEE, 2017. – P. 1-6. https://doi.org/10.1109/IWAGPR.2017.7996052

3. Сахтеров В.И., Аверин А.А., Попов А.В., Прокопович И.В. К расчету антенн импульсного георадара // Всероссийские открытые Армандовские чтения: Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн. – 2022. – №. 1. – С. 485-488. https://doi.org/10.24412/2304-0297-2022-1-485-488

4. Morozov P., Morozov F., Lazarev M., Bogolyubov L., Popov A. Characterization of antenna radiation pattern and penetration depth in ground penetrating radar field missions // Remote Sensing. – 2023. – V. 15. – No. 23. – P. 5452. https://doi.org/10.3390/rs15235452

5. Engheta N., Papas C.H., Elachi C. Interface extinction and subsurface peaking of the radiation pattern of a line source // Applied Physics B. – 1981. – V. 26. – P. 231-238. https://doi.org/10.1007/BF00692543

6. Edemsky F., Popov A., Zapunidi S. A time domain model of GPR antenna radiation pattern // International Journal of Electronics and Telecommunications. – 2011. – V. 57. – No. 3. – P. 407-411. http://dx.doi.org/10.2478/v10177-011-0056-1

7. Giannopoulos A. Modelling ground penetrating radar by GprMax // Construction and building materials. – 2005. – V. 19. – No. 10. – P. 755-762. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2005.06.007

8. Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Transactions on antennas and propagation. – 1966. – V. 14. – No. 3. – P. 302-307. https://doi.org/10.1109/TAP.1966.1138693

9. Radzevicius S.J., Chen C.C., Peters Jr L., Daniels J.J. Near-field dipole radiation dynamics through FDTD modeling // Journal of applied geophysics. – 2003. – V. 52. – No. 2-3. – P. 75-91. https://doi.org/10.1016/S0926-9851(02)00241-0

10. Scheers B. Ultra-wideband ground penetrating radar with application to the detection of anti personnel landmines // Royal Military Academy, Brussels. – 2001.

11. Арманд Н.А., Лукин Д.С., Чубинский Н.П. Современные проблемы подповерхностной радиолокации // Сверхширокополосные системы в радиолокации и связи: Конспекты лекций. – Муром: Изд.-пол. центр МИ ВлГУ. – 2003. – С. 92-107.

12. Изюмов С.В., Дручинин С.В., Вознесенский А.C. Теория и методы георадиолокации: Учеб. пособие // М.: Издательство «Горная книга». – 2008. – 196 с.

13. Дудник А.В. Влияние излучаемой мощности на глубину зондирования в георадиолокации // Разведка и охрана недр. – 2008. – №. 1. – С. 38-40.

14. Беркут А.И., Копейкин В.В., Морозов П.А., Криницкий Л.М., Ульянцев Н.А., Попов А.В., Прокопович И.В. Глубинный георадар. Исследования геологической структуры подстилающей поверхности. [Электронный ресурс] https://www.geo-radar.ru/publish/pub8.php

15. Финкельштейн М.И. Карпухин В.И., Кутаев В.А., Метелкин В.Н. Подповерхностная радиолокация // М.: Радио и связь. – 1994. – 216 с.

16. Prokopovich I., Popov A., Pajewski L., Marciniak M. Application of coupled-wave Wentzel-Kramers-Brillouin approximation to ground penetrating radar // Remote Sensing. – 2018. – V 10. – No. 1. – P. 22. https://doi.org/10.3390/rs10010022

Для цитирования:

Прокопович И.В. Численный расчет импульсного излучения дипольной антенны на границе двух сред // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.5