Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы и средства исследования слоистости грунтов
1.1. Обзор методов и средств исследования грунтов 9
1.2. Радиоволновые методы и приборы исследования грунтов 19
1.3. Комплексные методы исследования грунтов 25
1.4. Выбор частотного диапазона 28
1.5 Требования, предъявляемые к аппаратному комплексу 31
1.6. Выводы 34
ГЛАВА 2. Проектирование антенн для радиоволнового комплекса
2.1 Общая структура радиоволнового комплекса 35
2.2. Распространение радиоволн от антенн 39
2.3. Выбор и расчёт антенн 49
2.3.1. Выбор передающей и приемной антенн 49
2.3.2. Расчет антенн с помощью программы MMANA 61
2.3.3. Построение диаграмм направленности антенн 62
2.4. Выводы 69
ГЛАВА 3. Описание блоков аппаратного комплекса
3.1. Передающий блок 70
3.2. Приемный блок 74
3.3. Выбор источников питания передающего и приемного блоков 80
3.4. Описание радиоволнового аппаратного комплекса 85
3.5. Выводы 87
ГЛАВА 4. Апробация радиоволнового аппаратного комплекса
4.1. Описание методики проведения экспериментальных исследований 89
4.2. Эксперименты в полевых и городских условиях 101
4.3. Апробация аппаратного комплекса совместно с методом ВЭЗ и бурением 114
4.4. Выводы 127
Основные результаты и выводы 129
Библиографический список использованной литературы 130
Приложения
- Радиоволновые методы и приборы исследования грунтов
- Выбор передающей и приемной антенн
- Выбор источников питания передающего и приемного блоков
- Апробация аппаратного комплекса совместно с методом ВЭЗ и бурением
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема изучения состава и состояния грунтов во все времена являлась актуальной. В настоящее время участились случаи обвалов и разрушений жилых, производственных зданий и сооружений. Основной причиной этого являются такие грунтовые факторы как подземные пустоты, ослабленные зоны, трещины, оползни, водоносные слои, которые представляют угрозу, в том числе и для объектов энергосистем. В городских условиях для выявления таких факторов в основном изучается верхняя 15-30-метровая толща, при решении отдельных задач глубинность увеличивается до 100 м.
Известны различные методы исследования грунтов в городских условиях на данных глубинах: контактные разрушающие и бесконтактные неразрушающие методы. К простейшим контактным методам относятся бурение, копание шурфов, скважин и канав. Но эти способы имеют недостатки: невозможность исследования под существующими объектами, не оперативность получения информации, трудоемкость, высокая себестоимость.
Наиболее часто применяемым бесконтактным неразрушающим методом является метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ). ВЭЗ проводится с забиванием электродов, прокладкой кабеля, что ограничивает его использование ввиду трудоемкости процесса и затрудняет применение на заасфальтированных и забетонированных участках. В условиях проведения исследований с большим количеством подземных коммуникаций, линий электропередачи, железнодорожных путей использование метода ВЭЗ представляет большую сложность.
Одним из наиболее перспективных бесконтактных методов, не требующих прокладки кабелей, мощных генераторных установок, не нуждающихся в забивке электродов, позволяющих проводить исследования в сложных условиях, является радиоволновой метод.
Поэтому создание переносных радиоволновых устройств, мобильных и недорогих, простых и компактных, обладающих глубинностью до 100 м, способных работать в сложных эксплуатационных условиях, обладающих высокой разрешающей способностью, является одной из актуальных задач.
Цель работы — разработка, создание и испытание радиоволнового аппаратного комплекса для неразрушающего дистанционного исследования слоистости грунтов на глубину до 100 м, определения местоположения и оконтуривания заглубленных участков неоднородностей.
Основные задачи диссертационной работы.
Сформулировать требования к аппаратуре для неразрушающего дистанционного исследования слоистости грунтов среднечастотного радиоволнового диапазона.
Разработать структурную схему и спроектировать основные элементы радиоволнового аппаратного комплекса для исследования слоистости грунтов с глубинностью до 100 м.
Провести расчет антенн, разработать структурные и электрические схемы передатчика и приемника для радиоволнового комплекса.
Разработать методики испытаний созданного радиоволнового аппаратного комплекса и его применения для исследования грунтов.
Провести испытания радиоволнового аппаратного комплекса в полевых условиях.
Методы исследования. В процессе выполнения работы на различных этапах использовались теоретические основы электротехники и радиотехники, теория распространения радиоволн, методы анализа и синтеза, математического моделирования. При создании антенн использовалась программа расчета и моделирования антенн MMANA, работающая в среде Windows, вычислительной основой является программа MTNINEC Ver.3.
Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, совпадением теоретических результатов с данными экспериментов, сопоставимостью результатов с данными, полученными с помощью других методов. Достоверность полученных результатов обеспечена комплексным характером экспериментов, повторяемостью измерений и их соответствием результатам, опубликованным в научной литературе. Научная новизна работы:
Обоснована возможность создания радиоволнового аппаратного комплекса, предназначенного для неразрушающего дистанционного исследования слоистости грунтов.
Спроектированы, разработаны и созданы элементы радиоволнового аппаратного комплекса на частоту 2 МГц с мощностью 1 Вт и чувствительностью приемника не ниже 1 мкВ/м.
Установлено, что радиоволновой аппаратный комплекс с глубинностью до 100 м позволяет на 40-50% повысить точность определения слоистости грунтов по сравнению с комплексом ЭРА-В-ЗНАК метода вертикального электрического зондирования.
Практическая значимость работы:
Создан радиоволновой аппаратный комплекс, способный работать в полевых, в том числе и в городских, условиях.
С помощью измерительного радиоволнового аппаратного комплекса проведены исследования грунтов совместно с другими инженерными методами и показана более высокая разрешающая способность комплекса по сравнению с традиционно используемой аппаратурой, работающей по методу вертикального электрического зондирования.
Показана возможность использования разработанного аппаратного комплекса для проведения исследований слоистости грунтов при строительстве и эксплуатации жилых и производственных зданий, для экологического мониторинга природных и техногенных объектов.
4. При комплексном исследовании грунтов методом бурения и радиоволновым аппаратным комплексом возможно определение состава и состояния грунтов с уменьшением количества точек бурения, уменьшением трудоемкости и времени исследования, сокращением материальных затрат.
На защиту выносятся:
Разработанный и созданный радиоволновой аппаратный комплекс, предназначенный для дистанционного исследования слоистости грунтов, с частотой 2 МГц и глубинностью до 100 м.
Разработанные структурные и принципиальные схемы передающего и приемного блоков.
Результаты модельных расчетов и экспериментальных исследований направленных свойств дипольных антенн.
Результаты исследований слоистости грунтов, проведенных радиоволновым аппаратным комплексом.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались и представлялись на Аспирантско-магистерских научных семинарах, посвященных «Дню энергетика» (Казань, 2006, 2007, 2008, 2009); Первой всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2006); Тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007); Второй международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007); Третьей всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», (Казань, 2008); Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 научных публикациях, включая 3 журнальные статьи, в том числе 2 статьи в журнале из списка ВАК, 4 публикации в материалах докладов Международных и Всероссийских научных конференций.
Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в разработке и расчете элементов радиоволнового аппаратного комплекса, в проведении исследований в лабораторных и полевых условиях, в интерпретации и анализе полученных теоретических и экспериментальных результатов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 15 таблиц, список цитируемой литературы включает 102 наименования.
Радиоволновые методы и приборы исследования грунтов
В последние годы интенсивно развиваются радиоволновой метод (РВМ) и средства подповерхностного зондирования и профилирования заглубленных диэлектрических аномалий [38, 45]. В радиоволновых методах изучается влияние не только удельного сопротивления р, но и диэлектрической проницаемости є грунтов. Последняя величина зависит от частоты тока. Это, с одной стороны, усложняет измерения и расчеты, но с другой — дает возможность находить объекты, которые не могут быть выделены другими способами.
РВМ и средства предназначены для дистанционного обнаружения, определения координат и визуализации подповерхностных диэлектрических аномалий, а также для исследования слоистости грунтов [49, 50]. Этот метод широко применяется на практике для решения следующих задач: измерение толщин грунтов, местоположение подповерхностных слоев и инородных включений, их структурных и электрических характеристик грунтов, локализация канализационных труб, коммуникационных сетей и т.д.
Обнаружение заглубленных объектов осуществляется , по данным обработки рассеянных аномалиями радиосигналов [51]. Радиоволновой метод использует волновые процессы, наблюдаемые в волновой зоне излучателей. Основные модификации радиоволновых установок и способы интерпретации исследований опираются на закономерности распространения и дифракции радиоволн, характерные для волновой зоны. Основой для этих методов, является различие электромагнитных свойств разных участков земной поверхности, отражающее различие в их геологическом строении, наличии тех или иных пород, аномалий. Используются гармонические радиоволны, создаваемые радиопередающей антенной у поверхности земли.
Для минимальных энергетических потерь при распространении в грунте необходимо использовать низкочастотный диапазон. Для обеспечения же предельной разрешающей способности при исследовании объектов с размерами порядка длины волны используется высокочастотный диапазон с определенной полосой частот. Обычно частотный спектр сигнала выбирают в пределах участков с минимальным удельным ослаблением в грунте. С помощью высокочастотных радиоволновых методов можно изучать самую верхнюю часть разреза (10-30 м). Для этого используются различные радиопередатчики и радиоприемники, работающие в диапазонах сверхдлинных волн (СВ) — диапазон радиоволн с частотой от 300 кГц (длина волны 1000 м) до 3 МГц (длина волны 100 м). и коротких волн (KB) — диапазон радиоволн с частотой от 3 МГц (длина волны 100 м) до 30 МГц (длина волны 10 м) [43].
В настоящее время радиоволновые методы используют диапазон частот 0,5-10 МГц, который относится к СВ — KB диапазонам [48]. В отличие от низкочастотных систем данный диапазон частот позволяет повысить разрешающую способность и детальность исследования.
Радиоволновые методы и средства удобно классифицировать по условиям их применения, природе измеряемых сигналов, виду установок, типу передающих и приемных антенн, диапазону и спектру частот и длин волн [53].
Различие путей распространения измеряемых сигналов приводит к следующему подразделению методов: радиопросвечивание (РП) и радиоотражение (РО). Применяемые установки измеряют одновременно прямые, отраженные и дифрагированные сигналы. Но данные методы проводятся при наличии скважины в которой устанавливают радиопередатчик, излучающий электромагнитные волны частотой 0,1 -10 МГц, а в соседних выработках или скважинах с помощью радиоприемника измеряют напряженность поля [52]. Дальнейшее подразделение радиоволновых методов и приборов основывается на различии способов задания и измерения поля. Здесь выделяются следующие модификации: 1) однопараметровые (одночастотные, однокомпонентные, однополяризационные); 2) многопараметровые (многочастотные и многокомпонентные). Для каждого метода, кроме его названия, часто указывается также вид установки, определяемый видом и направлением применяемых антенн. При этом используются следующие обозначения: Е — электрическая, Н — магнитная антенны; направление антенны (у магнитных антенн направление эквивалентного им магнитного диполя) указывается нижним индексом в условленной заранее системе координат. Эффективность работы радиоволновых систем и приборов существенно зависит от правильного выбора параметров сигнала и методов его обработки, определяемых электрическими характеристиками грунта, местоположением, материалом, формой и размером обнаруживаемых объектов. По особенностям методики наблюдений можно выделить следующие варианты методов: - наземные, дистанционный метод исследования; - воздушные - измерительную аппаратуру располагают на самолетах; - подземные — измерительную аппаратуру располагают в скважинах. В практике изучения электрических свойств грунтов более широко применяются наземные методы: радиопрофилирования и радиозондирования. Методы профилирования и зондирования с использованием радиоволн основаны на явлениях поглощения, интерференции и дифракции волы при взаимодействии их с окружающей средой [43]. К радиоволновому зондированию (РВЗ) относится наиболее информативная и трудоемкая группа методов и приборов [49, 54]. При использовании РВЗ используемые поля, аппаратура, методика, включающая в себя способы проведения работ, выбор установок и систем наблюдений, направлены на то, чтобы получить информацию об электромагнитных свойствах исследуемой среды на разных глубинах. РВЗ используются для решения широкого круга задач, связанных с разделением по электромагнитным свойствам пологослоистых грунтовых разрезов. Приборы данного метода применяют в условиях перекрывающих пород с высоким сопротивлением (лед, мерзлые породы, сухие пески и т. п.). Также возможно зондирование через слой воды. Радиоволновое зондирование применяют для решения широкого круга задач, связанных с расчленением пологослоистых геологических разрезов с изменяющимися по глубине и от точки к точке электромагнитными свойствами. Основными из них являются: а) определение мощности и состава покровных и коренных отложений, глубины залегания фундамента, расчленение осадочных толщ, что очень важно для структурно-геологического объемного картирования; б) оценка геометрических параметров и физического состояния массива горных пород, представляющая большой интерес для инженерно геологического, мерзлотно-гляциологического и гидрогеологического картирования; в) поиски пластовых, как правило, нерудных полезных ископаемых; г) изучение грунтов и глубинной электропроводности.
Выбор передающей и приемной антенн
Антенна является одним из важнейших элементов любой радио системы, связанной с излучением или приемом радиоволн [51,62, 84-92]. В конструктивном отношении антенна представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики. Назначение антенны поясняется упрощенной схемой радиолинии. Электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные полезным сигналом и создаваемые генератором, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Обычно электромагнитные колебания подводят от передатчика к антенне не непосредственно, а с помощью линии питания (линия передачи электромагнитных волн, фидер).
При этом вдоль фидера распространяются связанные с ним электромагнитные волны, которые преобразуются антенной в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства. Приемная антенна улавливает свободные радиоволны и преобразует их в связанные волны, подводимые с помощью фидера к приемнику. Антенны можно классифицировать [41, 61]: а) по устройству и принципу действия: дипольные, биконические, штыревые, рамочные, рупорные, зеркальные, гибридные, б) по диаграмме направленности — направленные и всенаправленные; в) по поляризации — линейной поляризации и круговой поляризации; Измерительные антенны могут быть также пассивными и активными (со встроенным усилителем). В радиоволновых системах в основном используют дипольные или рамочные антенны. Эти антенны имеют как достоинства, так и недостатки. Важнейшее преимущество работы в окружении предметов из диэлектрика с потерями (тело оператора, строительные материалы и т. п.) состоит в том влияние среды на резонансную частоту (расстройка) и на эффективность (вносимые потери) рамки намного слабее, чем влияние на диполь. Автором А. Гречихин [87] испытаны передатчики с генераторами одинаковой мощности и антеннами: рамочной диаметром 42 см и дипольной длиной 120 см; длина волны 82 м. Эффективность обеих антенн, находившихся в свободном пространстве (оценивалась по дальнему полю), оказалась примерно одинаковой. Ствол дерева, тело и руки оператора рядом с диполем изменяли напряженность поля в десятки раз, а рамку можно было положить в рюкзак на спине оператора, надеть на шею или полностью закопать в снег, и это не приводило к заметному ухудшению параметров поля. Электрический контакт с металлическим предметом, конечно, может сильно повлиять и на рамку, но от этого есть простое средство - изоляция. Другие преимущества малых рамок: они не требуют противовеса (как, например, короткий штырь), менее требовательны к качеству изоляции, меньше воздействуют на ткани живых организмов при работе на передачу (потери в электрическом ближнем поле малого диполя значительно больше), прочнее механически. Направленность при вертикальной поляризации в одних случаях может быть полезной, в других - нет.
Все приемные антенны делятся на два класса: электрические и магнитные. Электрические - это всевозможные дипольные и штыревые антенны, они реагируют на электрическую составляющую электромагнитного поля. Магнитные антенны - ферритовые и рамочные, реагируют на магнитную составляющую.
Электрически малая рамочная антенна называется магнитной антенной (МА). Эти антенны работают с использованием магнитной составляющей электромагнитной волны как основной составляющей. В ходе дальнейшего преобразования ее излучения, в случае передающей антенны, относительные величины векторов магнитного и электрического поля примерно выравниваются [61]. Передающие магнитные антенны обладают направленными свойствами.
Как было сказано в параграфе 2.2, в ближней зоне (на расстояниях много меньше Л) передающей МА везде преобладает магнитная компонента Н электромагнитного поля (отношение электрической компоненты Е к магнитной - Е/Н - намного меньше, чем в дальней зоне). Приемная МА соответственно, более восприимчива к переменному магнитному полю, чем к электрическому, т. е. имеет компонентную селективность [89].
Важнейшее преимущество магнитной антенны перед электрической антенной заключается в том, что при работе в окружении предметов из диэлектрика с потерями на эффективность и на резонансную частоту (т.е. расстройку антенны) влияние среды на магнитную антенну значительно слабее. Вносимые потери, создаваемые, находящимся рядом с антенной стволом дерева телом и рукой оператора могут изменять напряженность поля электрической антенны в десятки раз, в магнитной рамке они не приводят к заметному ухудшению параметров поля.
Трудности при изготовлении и эксплуатации МА заключаются в обеспечении минимальных активных потерь в соединениях. Ток рамки в десятки раз больше тока диполя, поэтому потери энергии на плохих -контактах в сотни и тысячи раз больше [90]. Практически это означает непригодность резьбовых соединений (только пайка или сварка) и необходимость бесконтактных элементов настройки. Таким образом, преимуществ у магнитной антенны больше, в особенности при работе в неферромагнитных средах.
Проведем сравнительный анализ эффективности одновитковой рамки периметром 2 м (диаметром 0,63 м) и электрического диполя длиной 0,63 м и длиной 2 м при диаметре провода 0,8 мм и рабочей частоте 2 МГц. Материал проводника - медь.
Выбор источников питания передающего и приемного блоков
Вторым блоком мобильного радиоволнового измерительного комплекса является приемное устройство. Приемник обеспечивает прием вторичных полей, наведенных радиоволновым излучением антенны генератора. Были разработаны структурная (рис. 3.6) и принципиальная схемы приемника и произведен выбор ее элементов структурной схемы [96].
Измерительная система должна обеспечивать работоспособность при проведении исследований грунтов как в полевых, так и в городских условиях, характеризуемых высоким уровнем индустриальных электромагнитных помех. Для снижения воздействия помех используется низкая промежуточная частота (ПЧ) с узкой полосой. Для упрощения схемы приемника, повышения надежности его работы и снижения мощности потребления в приемнике применено однократное преобразование честоты. Низкое значение ПЧ достигается использованием близких по значению частот передатчика и гетеродина приемника. Применение для этих целей кварцевых резонаторов обеспечивают требуемый диапазон рабочих температур от -20 до + 40С.
Сигнал с антенны поступает на вход усилителя высокой частоты (УВЧ) через емкость С1 и трансформатор TR1, служащий для согласования антенны с УВЧ. Усилитель высокой частоты выполнен по каскодной схеме, состоящей из полевого VT1 и VT2 биполярного транзисторов. Такая схема обладает высоким сопротивлением и малой проходной емкостью. С выхода УВЧ усиленный сигнал через трансформатор TR2 поступает на преобразователь частоты, построенный на основе микросхемы SA612A. Микросхема содержит двойной балансный смеситель и гетеродин, частота которого задается внешним кварцевым резонатором. Смеситель построен на основе перемножителя сигналов с дифференциальными входами. Необходимое для транзисторов перемножителя смещения обеспечивается внутренней схемой температурной стабилизации. Это позволяет преобразовывать входной сигнал с частотой до 500 МГц в диапазоне температур от -40 до +85 С при напряжении питания 4,5...8 В. Достоинство данной микросхемы является низкий ток потребления. В результате перемножения сигнала гетеродина и входного сигнала на выходе перемножителя образуются составляющие с частотами, равными сумме и разности частот гетеродина и входного сигнала.
На дросселе DR2 и конденсаторах С8 и С9 собран фильтр промежуточной частоты, выделяющий разностную частоту с выхода микросхемы.
Далее сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ) выполненный на сдвоенных операционных усилителях (ОУ) DA2, DA3, DA4, DA5 типа LM358, содержащих два ОУ в одном корпусе.
На DA2.1 выполнен повторитель напряжения на DA2.2, DA3.1 и DA3.2 — активный полосовой фильтр. Достоинством данной схемы фильтра является простота в настройке и отсутствие высоких требований к ширине полосы пропускания ОУ. Ступенчатое изменение множителя коэффициента усиления, равного 1:1 или 1:2, осуществляется с помощью переключателя KN1, подключающего соответственно резисторы R10 и R11 ко входу ОУ DA2.2. С выхода повторителя DA4.1 сигнал поступает на двухполупериодный преобразователь средневыпрямленного значения, содержащего прецезионный выпрямитель на микросхеме DA5.1 и диодах VD1, VD2 и фильтр нижних частот (ФНЧ) на DA5.2. Прецезионный выпрямитель на ОУ, в отличии от пассивного выпрямителя на диодах, имеет существенно меньше значение порогового напряжения, обусловленного напряжением отпирания диода. На выходе ФНЧ формируется постоянное напряжение, величина которого определяется уровнем принятого антеннрй сигнала. Это напряжение через буферный усилитель DA4.2 подается на цифровой вольтметр с плавающий запятой, что позволяет автоматически измерять амплитуду отклика в диапазоне от единиц милливольт до З В (рис.3.8.). При этом чувствительность приемника составляет не менее 1 мкВ/м. Плата и корпус приемного блока изображена на рис. 3.9 Питание приемника осуществляется стабилизированным напряжением от стабилизаторов DA6 и DA7. Конструкция приемного блока изображена на рис. 3.10. Приемное устройство выполнено в виде единого с дипольной антенной конструктивного блока устанавливаемого на теодолитный штатив (рис. 3.11). Плата приемника установлена в специальный бокс, приваренный к антенной системе, что обеспечивает электромагнитное экранирование элементов приемника и его защиту от атмосферных осадков. Блок питания приемника крепится к штативу. На приемной антенне установлен визирь для ортогональной установки плоскости антенн в процессе проведения полевых работ (рис. 3.10). Для того чтобы выбрать источники питания для генераторного и приемного блоков, проанализируем имеющиеся источники питания для радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время, как правило, не представляет затруднений приобрести необходимый источник электропитания. Для нашего аппаратного комплекса необходимо выбрать химический источник тока (ХИТ) автономного питания, не требующий постоянной подзарядки [97-98].
Выходное напряжение таких источников практически не содержит переменной составляющей, но в значительной степени зависит от величины тока, отдаваемого в нагрузку, и степени разряда. Имеющиеся гальванические элементы и батареи по сравнению с аккумуляторами обладают большей удельной электрической емкостью (измеряемой в ампер-часах или миллиампер-часах) и имеют меньшую стоимость. Но аккумуляторы и аккумуляторные батареи отдают во внешнюю электрическую цепь энергию, запасенную в процессе многочисленных зарядов. Их использование для питания радиоаппаратуры в нашем случае более целесообразно, чем использование гальванических элементов и батарей.
При выборе аккумуляторов для питания нашего аппаратного комплекса учитывались их система, цена, энергоемкость, долговечность при хранении, постоянство напряжения в течение разряда, внутреннее сопротивление, максимальное значение отдаваемого тока, диапазон рабочих температур и массогабаритные показатели [99].
Апробация аппаратного комплекса совместно с методом ВЭЗ и бурением
Предварительные испытания были проведены как в лабораторных, так и в полевых условиях, с целью оценки соответствия радиоволнового аппаратного комплекса требованиям технического задания. Приводится также описание экспериментов и анализ апробации разработанного аппаратного комплекса.
Для исследования работоспособности аппаратного комплекса, отработки методики проведения исследований был проведены ряд экспериментов в полевых условиях. Были проведены исследования направленных свойств магнитных антенн передающего и приемного полукомплектов. С этой целью использовался участок без аномалий грунтов, на котором отсутствуют видимые внешние техногенные воздействия со стороны предприятий, строений, линий электропередач. Участок - это сельскохозяйственное поле - находится в Зеленодольском районе Республики Татарстан. В километре от участка поля расположен строящийся коттеджный поселок «Ореховка», вблизи которого были прокопаны траншеи. Состав грунта в траншеях, по крайней мере до глубины 5-6 м, достаточно однородный, состоит из поверхностного слоя толщиной 20-30 см — гумус, и до глубины 5-6 м - глина.
Перед экспериментами была проведена проверка исправности, калибровка и настройка аппаратуры. Для настройки аппаратуры были собраны в рабочее состояние передающий и приемный блоки. Был проведен внешний осмотр аппаратуры, который включал в себя: проверку крепления органов управления, четкости фиксации; проверку исправности проводов и кабелей; проверку комплектности. Были полностью заряжены аккумуляторные батареи аппаратуры.
При проведении проверки и калибровки встроенного вольтметра применялся вольтамперметр цифровой. Коэффициент усиления выбирается и задается оператором исходя из уровня сигнала на приемном блоке.
Проведем далее опробование радиоволнового аппаратного комплекса и определим погрешности измерения аппаратного комплекса.
На поле, покрытом травой, перед началом исследований была обозначена окружность для проведения кругового профилирования вокруг заданной точки, с радиусом 5 метров. Также заранее были намечены точки размещения приемной антенны. Шаг между соседними точками 10 градусов. Проведем эксперимент асимметричного кругового профилирования по методике описанной выше. Для получения более надежного результата и учета возможного влияния грунтов на форму диаграммы направленности был совершен повторный обход при повороте генераторной антенны на 90 относительно первоначального положения по часовой стрелке (рис. 4.14, 4.15). Значения сигналов для этого случая приведены в таблице 2П.
По данным таблиц 1П и 2П построены диаграммы распределения сигналов приемника в полярной системе координат, приведенные на рис. 4.16.
Как видно из рис. 4.16, диаграммы в обоих случаях получились симметричные, причем симметрия рис. 4.16 а при повороте генераторной антенны по часовой стрелке на 90 переходит в симметрию рис. 4.14 б это видно на рис. 4.16 е.
Так как истинного значения результата измерений мы не знаем, то при не очень больших значениях относительной погрешности можно заменить истинное измеренным. При этом значения сигналов в точках 0 и 90 составляют согласно таблицам 1П и 2П 15,7 11,7, при 90 и 180 - 262 и 261 мВ, при 180 и 270 - 47,5 и 43, при 270 и 0 - 255 и 256, относительная погрешность измерения при этом составит от 10 до 30 %.
Сравнив полученные диаграммы эксперимента с теоретически полученными диаграммами направленности (рис. 4.19.), мы можем сделать вывод, что полученные кривые подобны и хорошо отражают работоспособность нашего аппаратного комплекса. Небольшое несовпадение могло возникнуть из-за несовершенства конструкции антенн или вследствие неточного направления и установки антенн аппаратного комплекса.
Проведем подобный эксперименты при обходе передающей антенны приемной антенной, теперь по окружностям радиусом 10 и 15 метров при кг=1,0, кпр=0,5. Результаты эксперимента представлены в таблицах ЗП и 5П соответственно. Затем по тем же окружностям проведем эксперимент только при смещении антенны передатчика на 90 по часовой стрелке, значения сигналов представлены в таблицах 4П и 6П. Построенные по этим значениям диаграммы направленности представлены на рис. 4.16 и 4.19.
На рисунке 4.20 представлены совмещенные на одном графике диаграммы направленности, построенные по результатам обхода всех трех окружностей.
Рассмотрим рисунок 4.21, где совмещены три диаграммы вертикальной передающей антенны и теоретической диаграммой направленности. На данном рисунке видна небольшая деформация экспериментальных диаграмм. Как мы уже говорили, причина возникновения таких изменений может быть вызвана случайной погрешностью. Чтобы исключить изменения, надо соблюдать аккуратность и тщательность в работе и записях результатов. Но на данном рисунке наблюдается и систематическая погрешность, которая возникает из-за несовершенства рамки самой антенны и неучтенных факторов при разработке метода измерений.
