The Gopher Antenna: A New Type of Ground Penetrating Radar Antenna
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-11-22
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
131 + app. 39
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 226/2024
Abstract
Currently, ground penetrating radar (GPR) antennas for ground-coupled setups are inefficient. They use resistors and/or dissipative material to improve the impedance bandwidth and thus achieve optimal pulse shape. These antennas are mostly bowtie dipoles and have an omnidirectional pattern, although the casing and the electrical properties of the ground modify the pattern. The center frequency of the antennas in free space is often 500 MHz, and the required bandwidth is wide: the spectrum ratio is from 1:2 to 1:10 at a −10 dB limit. The phase center must remain stable over the whole bandwidth. The main objective of this dissertation is to develop an antenna that is more efficient and has good directivity. The concept of a patch antenna with a dual resonant structure was used as a basis. To achieve this goal, a feed antenna with three resonant frequencies was used. The novel point in the design is the second resonant frequency (not the first, as is typical) of the feed that is matched to the line impedance by a coupled dual resonant parasitic patch structure. Around the center frequency, the matching is good, and there are no dissipative materials. Therefore, the antenna is efficient. The radiated spectrum expands well beyond the matched impedance area and thus is not efficient in that part of the radiated spectrum, but it provides a Gaussian spectrum which is preferred by GPR users. The patch antenna design provides an inherent directivity, often 9 dBi, and combining the feed improves the directivity further. For practical reasons, this antenna type was given the name the "Gopher antenna". A reasonably priced GPR without an antenna was provided by one manufacturer. This was partly modified by the author to fit better the Gopher antenna so that the tests could be performed. Measurements were done in settings where there were known objects underground, and on a lake where the lake bottom was visible. The received data needed extensive processing. The sophisticated free software for the processing did not read the files from the system, thus a simple processing software was designed by the author. This had the advantage of enabling the testing of various pre- and postprocessing methods, and the trace integration method with optional deconvolution and cross-correlation methods were found to be useful with this data. The antenna was implemented, and the measured results validate the concept. The lake profiles are quite clear, and the ground profiles show reflections from known objects in the expected size range. As there was no standard way of describing the antenna radiation in the ground, I propose that the highest electric field magnitude is stored in each FDTD pixel during the simulation. This provides a useful graphic with which to compare antenna patterns. The pattern was also tested in a case study by tilting the antenna. With this efficient and directive antenna, the GPR is expected to see deeper.Nykyisten maaperätutkan antennien hyötysuhde on useimmiten huono, koska niissä käytetään vastuksia hyvänmuotoisen pulssin saavuttamiseksi. Niissä käytetään tavallisimmin rusettityyppistä dipoliantennia ja niiden suuntakuvio on ympärisäteilevä, joskin antennin kotelo ja maaperä vaikuttavat suunta¬kuvioon. Näiden antennien keskitaajuus on 500 MHz:n luokkaa vapaassa tilassa ja niiltä vaaditaan hyvin leveää taajuuskaistaa: taajuussuhde 1:2 ja 1:10 välillä 10 dB rajalla. Vaihekeskipisteen tulee olla vakaa koko taajuusalueella. Tämän väitöskirjan tavoitteena on kehittää antenni, jolla on hyvä hyötysuhde ja joka on suuntaava. Kehitystyö on tehty mikroliuska-antennitekniikan pohjalta käyttäen kaksoisresonanssipiiriä. Syöttöantennissa on kolme resonanssia. Tässä työssä on uutta se, että käytetään syöttöantennin toista resonanssia (ei siis alinta resonanssia) kytketyn rinnalla värähtelevän mikroliuska-antennin kanssa. Antennin keskitaajuudella impedanssisovitus on hyvä. Koska antennirakenteessa ei ole häviöllisiä materiaaleja, antennin hyötysuhde on hyvä. Antennin säteilevä spektri on paljon laajempi kuin sovitetun impedanssispektrin alue, joten koko spektrin alueella hyötysuhde ei ole yhtä hyvä, mutta antenni tuottaa Gaussin käyrän mukaisen spektrin, jota maaperätutkan käyttäjät suosivat. Mikroliuska-antenni on luonnostaan suuntaava, usein 9 dBi, ja tämä yhdessä syöttöantennin ja toisen antennin kanssa vielä parantaa sitä. Käytännöllisistä syistä antennille annettiin lyhyt nimi: Gopher (taskurotta) -antenni. Nykyiset maaperätutkat ovat kalliita laitteita "mustassa laatikossa". Yksi valmistaja antoi kuitenkin käyttöön kohtuuhintaisen maaperätutkan ilman antennia. Kirjoittaja muokkasi sitä hieman uuden antennin toiminnan mittauksia varten. Mittauksia tehtiin paikoissa, joissa on tunnettuja kohteita maan alla, ja järvessä, jonka pohja näkyi. Mittausdataa täytyy jälkikäsitellä paljon. Koska käyttöön ei löytynyt sopivaa valmisohjelmisto¬kokonaisuutta, kirjoittaja teki omaa koodia. Siitä oli se hyöty, että kirjoittaja saattoi kokeilla uusia vaihtoehtoja ja mitatun datan integrointi osoittautui hyväksi ristikorrelaation kanssa. Tässä työssä antenni on toteutettu ja se on mitattu toiminnan varmistamiseksi. Järvestä saadut mittausprofiilit ovat selkeitä ja maasta mitatut profiilit näyttävät heijastuksia tunnetuista kohteista. Toistaiseksi ei ole yleisesti sovittua tapaa esittää antennin säteilyä maassa antennin lähellä, joten tein ehdotuksen: simulaatiossa jokaisessa ruudussa tallennetaan suurin sähkökentän arvo simulaation aikana. Sen pohjalta tehty kuva antaa mahdollisuuden verrata antennien säteilyä maassa. Säteilyn suuntaavuutta testattiin myös kallistamalla antennia maan suhteen. Koska tehty antenni on tehokas ja suuntaava, sen odotetaan näkevän syvemmälle kuin nykyiset maaperätutkan antennit.Description
Supervising professor
Viikari, Ville, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandThesis advisor
Viikari, Ville, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandKeywords
Other note
Parts
-
[Publication 1]: V. Voipio, “The Gopher antenna - A new efficient design for ground penetrating Radar,” in 10th International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar (IWAGPR 2019), 5 pages, Hague, Netherlands, 8-12 September 2019.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202004302985DOI: 10.3997/2214-4609.201902586 View at publisher
-
[Publication 2]: V. Voipio, “Tilted GPR beam in the ground,” in International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR2020), pp. 255-258, Golden, Colorado, United States, 14-19 Jun 2020.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020123160258DOI: 10.1190/gpr2020-068.1 View at publisher
-
[Publication 3]: V. Voipio, “GPR pulse propagation topography”, Applied Computational Electromagnetics Society Journal, vol. 36, no 5, pp. 596-602, May 2021.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202108048083DOI: 10.47037/2020.ACES.J.360514 View at publisher
-
[Publication 4]: V. Voipio, “Culvert pipe resonance,” in International Conference of Archaeological Prospection (ICAP 2021), published in ArchéoSciences, vol. 45 no. 2, pp. 97-99, Lyon, France.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202201261456DOI: 10.4000/archeosciences.10700 View at publisher
-
[Publication 5]: V. Voipio, “GPR trace integral as a postprocessing tool,” in 11th International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar (IWAGPR 2021), 6 pages, Valletta, Malta.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202209145596DOI: 10.1109/IWAGPR50767.2021.9843183 View at publisher