NO337125B1

NO337125B1 - Antennesystem for georadar

Info

Publication number: NO337125B1
Application number: NO20140109A
Authority: NO
Inventors: Egil Eide
Original assignee: 3D Radar As
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2016-01-25
Also published as: US9843101B2; JP2017511875A; CN106415324A; US20170179611A1; EP3100074A4; JP6542242B2; NO20140109A1; EP3100074B1; AU2015211492A1; WO2015115906A1; AU2015211492B2; CN106415324B; EP3100074A1

Description

Oppfinnelsens område

Denne oppfinnelsen omhandler et antennesystem for georadar, hvor de utsendte elektromagnetiske bølger primært stråler ned i bakken.

Teknikkens stand

En georadar er en type radar som sender elektromagnetiske bølger (radiobølger) ned i bakken og måler refleksjoner fra objekter eller lagdelinger i undergrunnen. Antennen for denne type radar skal sørge for at det utsendte signalet trenger ned i bakken på best mulig måte. Derfor bør antennen plasseres på eller i nærheten av bakken. For å oppnå tilstrekkelig isolasjon mellom georadarens sender og mottaker, brukes det som regel separate sender- og mottakerantenner som er montert ved siden av hverandre.

Såkalte "bowtie"-antenner har vært i bruk i flere anvendelser der en trenger høy båndbredde. Den mest kjente artikkelen omkring slike antenner ble publisert av G. H. Brown og 0. M. Woodward i RCA Review, pp 425-452, i desember 1952, og det har siden vært publisert mange artikler om varianter av denne type antenne. For georadar har det vært vanlig å bruke "bowtie"-dipoler, men disse krever såkalte balun- (balanced-to-unbalanced) transformatorer for å operere tilfredsstillende. I år 2000 publiserte E. S. Eide en artikkel i IEE Transactions on Microwave, Antennas and Propagation, Vol. 147, No. 3, som beskrev et nytt antennesystem bestående av et par "bowtie"-monopoler som er montert på undersiden av et V-formet jordplan. Siden antennesystemet bestod av monopoler i stedet for dipoler, var en ikke avhengig av baluner til antennen. Formen på jordplanet gjør imidlertid at man må benytte relativt mye radarabsorberende materiale (absorbent) for å fylle rommet mellom jordplanet og antenneelementene. En videreutvikling av antennen er patentert i Norsk Patent Nr. 316,658, Europeisk Patent Nr. 1,558,946, samt US Patent No. 7,170,449. Her er sender- og mottakerantennene montert på et felles jordplan som er koplet sammen med et hengsel som gir mulighet til å justere vinkelen a mellom antennene til optimal verdi. Ulempen med konstruksjonen er imidlertid at en del av radarsignalet ved utsendelse fra senderantennen blir reflektert i mottakerantennen som er plassert vis-a-vis senderantennen før det går ned i bakken. Dermed dannes en uønsket dobbelpuls som forringer radarens evne til å skille mellom objekter som ligger nær hverandre. I tillegg vil radarbølger som reflekteres oppover fra selve bakken bli reflektert ytterligere en gang i antennekonstruksjonen, som på grunn av de sammenkoplede jordplanene utgjør en såkalt hjørnereflektor. De reflekterte signalene vil på ny gå ned i bakken og gi opphav til såkalte multiple signaler som bidrar til å forringe radarbildet. En tredje ulempe med konstruksjonen er at den gir en kraftig direktebølge fra sender- til mottakerantennen siden disse antennene står vis-a-vis hverandre.

En videreutviklet versjon av antennen er beskrevet i patentsøknad WO 2013/051945A1 der antenneinnretingene er arrangert slik at de danner en V-formet kile med spissen rettet ned mot bakken samt at tilkoplingspunktene for koaksialkabel til sender og mottaker (matepunktene) er plassert lengst vekk fra spissen av den V-formede kilen. I tillegg har jordplanene ikke elektrisk forbindelse med hverandre. Denne antennekonstruksjonen gav vesentlig forbedret signalkvalitet sammenliknet med konstruksjonen i Norsk Patent nr. 316,658.

Et felles trekk for de hittil beskrevne konstruksjonene er at de ikke ligger ned mot bakken og derved kan kople energien direkte ned i bakken. Ulempen med dette er at radiobølgene får et betydelig tap i overgangen fra luft til jord på grunn av refleksjonen som oppstår i dette grensesjiktet. I tillegg vil bølgene bli gjenstand for refraksjon (avbøying) på grunn av forskjellen i bølgehastighet i henholdsvis luft og jord. Dette vanskeliggjør billedfokusering i ettertid der en bruker såkalte seismiske migrasjonsteknikker i dataprosesseringen.

Kortfattet beskrivelse av oppfinnelsen

Antennen er nå videreutviklet til et nytt antennesystem ifølge den foreliggende oppfinnelse, som fremstår med en ny og forbedret løsning på ovenstående.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelsen å frembringe en antenne som gir et radarsignal med bedre kopling av energien ned i bakken enn foregående antennesystem. Videre er det et formål å redusere multiple refleksjoner fra antennestrukturen slik at radarsignalet får mindre ringing. Den foreliggende oppfinnelsen gir vesentlig mindre ringing og økt inntregningsdybde av radarsignalene ned i bakken, og dette muliggjør deteksjon av dypere objekter i undergrunnen. Antennen er anordnet for å ligge ned mot bakken og dette reduserer signalveien fra luft til bakke. Dette gir radardata som egner seg bedre til databehandling gjennom såkalte seismiske migrasjonsteknikker.

De særlige trekk ved antennesystemet ifølge oppfinnelsen fremgår av det selvstendige krav 1. Ytterliggere trekk er angitt i de uselvstendige kravene.

Et første aspekt ved oppfinnelsen er et antennesystem for georadar, som omfatter to platelignende antenneinnretninger, hvor de to antenneinnretningene henholdsvis omfatter minst en senderantenne og minst en mottakerantenne. Antennene i hver antenneinnretning omfatter monopoler som er dannet ved at metallflater er påført en elektrisk isolerende platebærer som er plassert på undersiden av et lag av radarabsorberende materiale. Materiallagets overside er dekket av et metallisk jordplan. Antenneinnretningene er innrettet til å ligge ned mot bakken. Et lag radarabsorberende materiale er anordnet på oversiden av jordplanene, og jordplanene er ikke i elektrisk forbindelse med hverandre.

Det radarabsorberende materialet på oversiden av jordplanet kan med fordel dekke området like ved kabelkonnektorene som er lokalisert i antennenes matepunkt.

Antenneinnretningene for senderantenner og mottakerantenner kan med fordel tilsammen utgjør en flat struktur, der antenneinnretningene er orientert slik at antennenes matepunkt ligger nært inntil antennens symmetriakse.

Antennene kan være i hovedsak V-formede, mens det radarabsorberende materialet kan bestå av ett eller flere resistive sjikt.

Antennenes termineringspunkt kan være tilkoplet jordplanet gjennom motstander og avstandsstykker. Platebæreren kan være et laminat, særlig et kretskortlaminat, fortrinnsvis bestående av et glassfibersubstrat.

Koaksialkabler som forbinder sender- og mottakerantennenes matepunkt med henholdsvis radarsender og radarmottaker, kan ha påmontert en hylse av ferrittmateriale på utsiden av koaksialkabelens skjerm.

Antennesystemet som omfatter en eller flere senderantenner og en gruppe av mottakerantenner, kan bestå av to eller flere mottakerantenner som danner en lineær rekke av antenner distribuert langs symmetriaksen mellom de to

antenneinnretningene.

Antennesystemet kan omfatte to grupper av mottakerantenner, hver bestående av en eller flere mottakerantenner, hvorav den ene gruppen danner en ekstra rekke med mottakerantenner plassert på motsatt side av rekken med ordinære mottakerantenner.

Antall mottakerantenner i hver gruppe kan være én mer enn antall senderantenner, og hver senderantenne kan være anordnet forskjøvet med en halv antenneavstand langs symmetriaksen i forhold til mottakerantennene.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende forklares nærmere under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Figur 1 viser et snitt av antennesystemet på fig. 1 sett fra

siden.

Figur 2 viser en utførelse av antennesystemet ifølge oppfin nelsen sett fra undersiden. Figur 3 viser en utførelse av antennesystemet ifølge oppfinnelsen, sett fra undersiden, der flere senderantenner og flere mottakerantenner er distribuert langs antennesystemets symmetriakse. Figur 4 viser en utførelse av antennesystemet i følge oppfinnelsen, sett fra undersiden, der det er innført en ekstra rekke med mottakerantenner plassert på motsatt side av rekken med senderantenner.

Detaljert beskrivelse av utførelsesformer av oppfinnelsen

På figur 1 vises et antennesystem som omfatter to antenneinnretninger for henholdsvis sending og mottaking som er beskrevet i det følgende. Sender- og mottakerantennene (1,2) omfatter monopoler laget av elektrisk ledende materiale på en elektrisk isolerende platebærer (3), som er for eksempel et 1,55 mm tykt kretskortlaminat av typen FR-4. Monopolene kan eksempelvis være triangelformet eller V-formet for optimal impedanstilpasning til matepunktet (6). Kretskortlaminatene (3) er plassert på undersiden av plate-formede lag av et materiale (4) som demper radiobølger (radarabsorberende materiale). Dette kan enten være et materiale bestående av tynne resistive sjikt, eller det kan være en radarabsorbent. Absorbentlagene er plassert på et bakenforliggende jordplan (5) bestående av metall. Antennene (1,2) for sending og mottaking er like i sin konstruksjon. Hver av antennene mates ved hjelp av koaksialkabel gjennom en kabelkonnektor plassert i matepunktet (6) der senterlinjen til koaksialkabelen tilkoples antennen (1,2) og skjermen koples til jordplanet (5). Antennenes ytre ender, som i det følgende kalles termineringspunkt, koples til jordplanet via motstander (7), for eksempel på 50 ohm, som er koplet til for eksempel metalliske avstandsstykker (8) som er montert på jordplanet (5). Avstandsstykkene (8) sørger for mekanisk feste av kretskortlaminatet (3) til jordplanet (5). Jordplanets to deler er i dette eksemplet montert inne i en glass fiberstruktur (9) som sørger for at de ikke er i elektrisk forbindelse med hverandre. Antenneinnretingene er arrangert slik at antennepanelene kan ligge flatt mot bakken (10). Det er et vesentlig trekk ved oppfinnelsen at jordplanene også er dekket med absorberende materiale (4) på oversiden for å undertrykke uønskede elektriske strømmer på oversiden av jordplanet (5) som vil kunne gi utstråling over bakken. Det er i særdeleshet viktig at jordplanet i området like ved konnektorene for matepunktet (6) er dekket med absorberende materiale (4) for å unngå såkalt ringing (multiple refleksjoner) fra signal som lekker til oversiden av jordplanet (5). For ordnes skyld nevner vi at begrepene over- og underside relaterer henholdsvis til den siden av antennesystemet som vender bort fra bakken og den siden som vender mot bakken når systemet er anordnet for normal bruk i forhold til bakken slik det for eksempel er illustrert i figur 1.

Et annet trekk ved oppfinnelsen er at samtlige koaksialkabler som forbinder antennenes matepunkt (6) med henholdsvis radarsender og radarmottaker har påmontert en hylse av ferritt (11) på utsiden av koaksialkabelens skjerm for å unngå at høyfrekvente strømmer følger utsiden av skjermen til kabelen og dermed gir uønsket utstråling. En annen virkning av ferrittene er at koaksialkablenes elektriske skjerm ved høye frekvenser ikke vil utgjøre en effektiv elektrisk forbindelse mellom jordplanene (5) for senderantenne (1) og mottakerantenne (2).

På figur 2 vises en utførelse av antennesystemet fra undersiden der sender- og mottakerantennene (1,2) er V-formet med motstander (7) som er koplet til metalliske avstandsstykker (8) til jordplanet (5) der avstandsstykkene (8) er plassert i termineringspunktene som ligger lengst vekk fra matepunktet (6).

En annen utførelse av antennesystemet ifølge oppfinnelsen er vist på figur 3. På denne figuren er det vist et lineært antennesystem som omfatter flere senderantenner (1) og flere mottakerantenner (2) som er distribuert langs antennesystemets symmetriakse (13).

En annen utførelse av antennesystemet ifølge oppfinnelsen er vist på figur 4. På denne figuren er det innført en ekstra rekke med mottakerantenner (12) plassert på motsatt side av rekken med senderantenner (1). Dette arrangementet gjør det mulig å motta signaler fra senderantennen (1) på to rekker med mottakerantenner (2,12) der avstanden mellom matepunktene (6) til antennene (offset-avstandene) får to ulike verdier. Et slik såkalt multi-offset arrangement gjør det mulig å estimere bølgehastigheten til radiobølgene i bakken samt at ulik offset-avstand, og dermed ulik innfallsvinkel, vil være fordelaktig for å fremheve forskjellige objekter og lagdelinger i bakken.

Claims

1. Antennesystem for georadar, som omfatter to platelignende antenneinnretninger, hvor de to antenneinnretningene henholdsvis omfatter minst en senderantenne (1) og minst en mottakerantenne (2), idet antennene (1,2) i hver antenneinnretning omfatter monopoler som er dannet ved at metallflater er påført en elektrisk isolerende platebærer (3) som er plassert på undersiden av et lag av radarabsorberende materiale (4), hvor materiallagets overside er dekket av et metallisk jordplan (5),karakterisert vedat antenneinnretningene er innrettet til å ligge ned mot bakken (10), et lag radarabsorberende materiale (4) er anordnet på oversiden av jordplanene (5), der jordplanene (5) ikke er i elektrisk forbindelse med hverandre.

2. Antennesystem ifølge krav 1 der det radarabsorberende materialet (4) på oversiden av jordplanet (5) dekker området like ved kabelkonnektorene som er lokalisert i antennenes matepunkt (6).

3. Antennesystem ifølge et av kravene 1-2, der antenneinnretningene for senderantenner og mottakerantenner tilsammen utgjør en flat struktur, der antenneinnretningene er orientert slik at antennenes matepunkt (6) ligger nært inntil antennens symmetriakse (13).

4. Antennesystem ifølge et av kravene 1-3, der antennene (1,2) er i hovedsak V-formede.

5. Antennesystem ifølge et av kravene 1-4, der det radarabsorberende materialet (4) består av ett eller flere resistive sjikt.

6. Antennesystem ifølge et av kravene 1-5, der antennenes termineringspunkt koples til jordplanet (5) gjennom motstander (7) og avstandsstykker (8).

7. Antennesystem ifølge et av kravene 1-6, der platebæreren (3) er et laminat, særlig et kretskortlaminat, fortrinnsvis bestående av et glassfibersubstrat.

8. Antennesystem ifølge et av kravene 1-7, der koaksialkabler som forbinder sender- og mottakerantennenes matepunkt (6) med henholdsvis radarsender og radarmottaker, har påmontert en hylse av ferrittmateriale (11) på utsiden av koaksialkabelens skjerm.

9. Antennesystem ifølge et av kravene 1-8, omfattende en eller flere senderantenner (1) og en gruppe av mottakerantenner (2), bestående av to eller flere mottakerantenner (2) som danner en lineær rekke av antenner distribuert langs symmetriaksen (13) mellom de to antenneinnretningene.

10. Antennesystem ifølge et av kravene 1-9, omfattende en eller flere senderantenner (1) og to grupper av mottakerantenner (2,12), hver bestående av en eller flere mottakerantenner (2,12), hvorav den ene gruppen danner en ekstra rekke med mottakerantenner (12) plassert på motsatt side av rekken med ordinære mottakerantenner (2).

11. Antennesystem ifølge et av kravene 8-9, der antall mottakerantenner (2) i hver gruppe er en mer enn antall senderantenner (1), og der hver senderantenne (1) er anordnet forskjøvet med en halv antenneavstand langs symmetriaksen (13) i forhold til mottakerantennene (2).