探測地下目標的探地雷達天線的仿真設計

1、探測地下目標的探地雷達天線的設計摘要：本文提出了用于地下物體檢測的探地雷達(GPR)中的平面天線的設計。天線的工作帶寬在500MHz至2GHz頻帶內。這種寬頻帶的性能使天線適用于探測地下目標的GPR應用。TaconicTLY-5用作介質基板的材料，介電常數為2.2,損耗正切為0.0009,厚度為1.57mm。所提出的天線結構簡單，平面完整，易于與其他平面設備集成。為了使天線定向輻射天線放置在開口的金屬屏蔽箱內。反過來，這種方法也增加了天線的增益。本文還分析了天線的反射系數，增益，輻射方向圖的仿真結果。關鍵詞：天線，探地雷達，GPRDesignofGroundPenetratingRadarAn

2、tennaforBuriedObjectDetectionAbstract:Inthispaper,thedesignofplanarantennaforuseinGroundPenetratingRadar(GPR)forburiedobjectdetectionispresented.Theproposedantennaofferswideoperationalbandwidthwithin500MHzto2GHzfrequencyband.ThispropertymakestheantennasuitablefortheapplicationofGPRforburiedobjectdet

3、ection.TaconicTLY-5isusedasthesubstratewithdielectricconstantof2.2,tangentlossof0.0009andthicknessof1.57mm.Theproposedantennahassimplestructureandfullyplanar,thereforeitiseasytointegratewithotherplanardevices.Toobtainadirectionalradiationpattern,theantennaisplacedinsideanopenmetallicshieldedbox.Intu

4、rn,thegainoftheantennaisalsoincreasedusingthisapproach.Theresultsintermofreflectioncoefficient,gain,radiationpatternoftheantennaarediscussedinthispaper.Keyword:Antenna,GroundPenetratingRadar,GPR目錄第一章引言3第二章探地雷達52.1單站雷達系統(tǒng)52.2雙站雷達系統(tǒng)62.3多站雷達系統(tǒng)6第三章天線設計73.1天線的結構設計7第四章仿真結果和分析94.1回波損耗94.2輻射方向圖94.3電流分布圖104.4

5、無屏蔽盒時優(yōu)化仿真結果114.5帶屏蔽盒的優(yōu)化仿真結果13第五章結論15參考文獻16第一章引言雷達探測技術用于地下，是一項提出較早的課題。然而只是在高頻微電子技術以及計算機數據處理方法迅速開發(fā)的近代，這項技術才獲得本質性的進展。今天，探地雷達不僅在探測裝備上高度集中了現(xiàn)代技術領域的成就而得到了極大的改善，它的應用領域也正在迅速開拓。美國、加拿大、日本以及西歐等國正大力開發(fā)這一技術，服務業(yè)務也日益增多。有關該項技術方面的應用成果和文章，已頻繁地出現(xiàn)在一些期刊、專門會議文集以及各種地球物理國際學術會議的報告中。1992年在芬蘭召開的第四屆探地雷達國際會議上，提交優(yōu)秀論文45篇，并已匯集成冊。目前我

6、國也有不少部門，包括地礦、水電、煤炭、鐵道等單位正在開展這一技術的試驗和應用。與探空或通訊雷達技術相類似，探地雷達也是利用高頻電磁脈沖波的反射探測目的體及地質現(xiàn)象的，只是它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實現(xiàn)探測的，故亦稱之為地質雷達。將雷達原理用于探地，早在1910年就已提出，當時德國的G.Leimback和Lowy曾以專利形式闡明這一問題.以后，J.C.Cook在I960年用脈沖雷達，在礦井中做了試驗.但是，由于地下介質比空氣具有強得多的電磁波衰減特性，加之地下介質情況的多樣性，波在地中的傳播特性比在空氣中要復雜得多.因此，探地雷達的初期應用僅限于波吸收很弱的冰層、巖鹽礦等介質中。如S.Evan

7、s1963年用雷達測量極地冰層的厚度；Harrison1970年在南極冰面上取得了穿透800220om的資料；1974年L.T.Procello用雷達研究月球表面結構；Unbterberger探測冰川和冰山的厚度等。隨著儀器信噪比的大大提高和數據處理技術的應用，70年代以后，探地雷達的實際應用范圍迅速擴大，其中有:石灰?guī)r地區(qū)采石場的探測(1971年Takazi;1973年Kitahra)、工程地質探測(2974年R.M.Morey；1976年，1977年A.P.Annan和J.L.Davis，1978年Olhoeft，Dolphin等，1979年Benson等)、煤礦井探測(1975年J.C.

8、Cook)、泥炭調查(1982年C.P.F.Ulriksen)、放射性廢棄物處理調查(1982年D.L.wright，R.D.Watts;1985年0.01sson以及地面和鉆孔雷達用于地質構造填圖、水文地質調查、地基和道路下空洞及裂縫調查、埋設物探測和水壩、隧道、堤岸、古墓遺跡探查等(19821987年加拿大、日本、美國、瑞典等報道)。隨著微電子技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)在的探地雷達設備早已由龐大、笨重的結構改進為現(xiàn)場適用的輕便工具。目前，已推出的商用探地雷達有:美國地球物理探測設備公司(GSSI)的SIR系列，微波聯(lián)合公司(M/ACom，Ine.)的TerrascanMK系列，日本應用地質株式會社

9、(OYO公司)的GEORADAR系列，加拿大探頭及軟件公司(SSI)的pulseEKKO系列，瑞典地質公司(SGAB)的RAMAC鉆孔雷達系統(tǒng)等。這些商用的探地雷達所使用的中心工作頻率在101000MHz范圍，時窗在020000ns。據報道，根據不同的地質條件，地面系列的探測深度約在3050m，分辨率可達數厘米，深度符合率小于土5cm。探地雷達由于采用了寬頻短脈沖和高采樣率，使其探測的分辨率高于所有其它地球物理探測手段，又由于采用可程序高次疊加(多達4000次)和多波形處理等信號恢復技術，因而大大改善了信噪比和圖象顯示性能。今后的趨勢是向多天線高速掃描接收和進一步改善天線對各種目的體的回波響應

10、性能，以實現(xiàn)更精確、小尺寸、高工效、低成本以及圖象聯(lián)系真實地質情況等總的要求。理論研究方面，目前仍相對地集中在信號處理上。這是因為探地雷達所接收到的信號十分復雜。脈沖在通過地下介質的過程中，波形和波幅將發(fā)生較大的變化，而脈沖余振、系統(tǒng)內部干擾、地表不光滑或地下介質不均勻等引起的散射以及剖面旁側的繞射等干擾，均使得實時記錄圖象多變和不易分辨。但是當前的信號處理還只限于時間波形處理，如從單次測量結果中減去平均波形以壓低噪聲和雜亂回波、采用時變增益以補償介質吸收和抑制深部噪聲、用頻率濾波以剔除不必要的干擾頻率等。除此之外，還研究采用了聚焦技術，以集中目的體的空間響應;采用訊號增強以及預反褶積等數值處

11、理技術，以加強近地表被強初至模糊了的反射體波形特征等。為了識別圖象或對圖象進行地質解釋，除了在簡單形體正演基礎上大多采用人工判讀方法外，正在開展專家系統(tǒng)技術的有關研究。和地震勘探工作相似，探地雷達探測體的正反演研究也正在進行之中。我國的探地雷達儀器研制始于70年代初期。地質礦產部物探研究所、煤炭部煤炭科學院重慶分院，以及一些高等院校和其它研究部門均做過探地雷達儀器研制和野外試驗工作。當時使用的是同點天線，以高頻示波器顯示回波，直接讀取初至或照相記錄波形。但由于種種原因，這一技術未能正式用于實際?，F(xiàn)在，國家地震局、水電勘測設計部門、煤炭部門、鐵道部門、黃河水利委員會有關部門以及中國地質大學（武漢

12、）相繼引進了國外的儀器，探地雷達的應用和理論研究工作也正日益擴展。中國地質大學（武漢）在國家自然科學基金資助下，于1991年開始進行了探地雷達地下目的體的正反演研究工作，完成了大量的物理模擬和數值模擬的實驗和計算工作，為現(xiàn)場應用中資料解釋和進一步的理論研究奠定了基礎。為配合研究工作，自1990年開始，該校在短短的兩年半時間內完成了8個省、自治區(qū)和直轄市5類巖土對象的30余個工程工區(qū)、包括眾多地質問題的現(xiàn)場探測。現(xiàn)在，可以說，探地雷達的下列技術特性已為其開拓應用領域，尤其是在工程地質領域的應用鋪平了道路：（1）探地雷達是一種非破壞性的探測技術，可以安全地用于城市和正在建設中的工程現(xiàn)場。工作場地條

13、件寬松，適應性強（對于輕便類的儀器）；（2）抗電磁干擾能力強，可在城市內各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響?。唬?）具有工程上較滿意的探測深度和分辨率?，F(xiàn)場直接提供實時剖面記錄圖，圖象清晰直觀；（4）便攜微機控制數字采集、記錄、存儲和處理。輕便類儀器現(xiàn)場僅需3人或更少人員即可工作，工作效率高。當然，由于使用了高頻率，電磁波能量在地下的衰減劇烈，因而在高導厚覆蓋條件下，探測范圍受到限制。探地雷達（GPR）1是一種使用雷達脈沖信號對地下目標進行成像的地球物理方法。這種非破壞性和非導電性方法使用的是電磁輻射，在RF/微波頻譜中一般從幾十MHz到幾GHz,并檢測來自地下或內部結構的反射信號。工作在不同頻

14、率的GPR系統(tǒng)顯示不同的分辨率和探測深度，可以用于不同的頻率應用。第二章探地雷達探地雷達(GroundPenetratingRadar,GPR)又稱透地雷達，地質雷達，是用頻率介于10人6-10人9Hz的無線電波來確定地下介質分布的一種無損探測方法。探地雷達方法是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發(fā)生反射，根據接收到的電磁波的波形、振幅強度和時間的變化等特征推斷地下介質的空間位置、結構、形態(tài)和埋藏深度。探地雷達可用于檢測各種材料，如巖石、泥土、礫石，以及人造材料如混凝土、磚、瀝青等的組成23。GPR系統(tǒng)中雷達

15、結構有幾種類型：單站、雙站、多站。在單站雷達結構中，用單個天線接受和發(fā)射雷達信號。在雙站雷達結構中，用一個天線接受信號，另一個天線發(fā)射信號。在多站雷達系統(tǒng)中，用一個天線發(fā)射信號，多個接收天線排成一個陣列作為接收部分4。2.1單站雷達系統(tǒng)在單站雷達結構中，傳輸和接收的信號通過循環(huán)器分離。在發(fā)射機中產生的信號直接傳送到天線。傳輸的信號將通過地面?zhèn)鞑?，反射信號將被相同的天線接收，并由循環(huán)器路由到接收系統(tǒng)。當發(fā)射的信號遇到和土壤具有不同介電常數的任何物體時，發(fā)生反射。在該系統(tǒng)中，目標所接收的功率可以按下式計算：式2-1)P=PG人且A=茲r(4p)2R4r4p在式(1)中，P表示為天線接收的功率?？梢?/p>

16、看出它是由天線發(fā)射功率Pt，發(fā)射增益rtGt，天線接收增益G,接收天線的有效孔徑A和位于距離R處反射目標的散射截面a共同trrs決定。在單站雷達系統(tǒng)中，接收機中的信號摻雜有源自發(fā)射機與地面反射的直接耦合的雜波。因此，為了更好的探測地下目標，這種耦合應該減小至最小化5。通常情況下，GPR系統(tǒng)中的單個發(fā)送和接收天線是更適用于探測地下目標，它避免了在單站雷達系統(tǒng)中隔離接收和發(fā)射信號的難度。圖1單站雷達結構2.2雙站雷達系統(tǒng)圖2雙站雷達結構圖2是探測地下目標的雙站雷達結構。雙站雷達結構采用兩個相距很遠的地點。發(fā)射機放置在一個位置，相應的接收機放置在另一個位置。目標檢測過程類似于單站雷達，其中目標由發(fā)射

17、機照射，反射信號在雙站雷達接收機中被檢測和處理。目標位置的確定比單站雷達更為復雜。在這種情況下，需要更多的參數來解決發(fā)射機目標接收機的三角形關系，又稱為雙靜態(tài)三角形。這包括總信號傳播時間，接收機的正交角度測量以及發(fā)射機位置的估計。關于單站和雙站雷達系統(tǒng)的詳細資料可以參考6-10。2.3多站雷達系統(tǒng)多站雷達系統(tǒng)如圖3所示。除了在接收機端是天線陣列外，其結構類似于雙站雷達系統(tǒng)天線陣列的功能是為了獲取來自不同方向的反射信號。TransmitterReceiverAntenna2Antenna3narj'bject'圖3多站雷達結構第三章天線設計本節(jié)介紹了一種應用于GPR系統(tǒng)中的具有缺

18、陷的接地平面的圓形貼片天線。天線采用CSTMicrowaveStudio設計。TaconicTLY-5用作介質基板，介電常數為2.2，厚度為1.57毫米。3.1天線的結構設計圖4是提出的天線結構。在該設計中，基板的寬度和長度為200mmX250mmo天線用50歐姆的波端口激勵。接地板的長度與圓形貼片天線的傳輸線長度相同。為了獲得寬的工作帶寬，通過這兩個參數ls和ws改變接地板的結構。修改部分位于傳輸線和圓形貼片天線之間的接觸點的正下方。圓貼片半徑r為75mm。半徑可以使用下面圓形公式計算，如式2。（式3-1）Fr=1+丄乞ln）+1.77261/2pe2hr其中F=8.791109注意，h是基

19、板的厚度，必須以厘米為單位。力是工作頻率，?是基板的介電常數。為了獲得定向輻射圖，天線放置在開口的金屬屏蔽盒內。這個屏蔽盒作為反射板，和天線間距為d。所提出的天線的整體優(yōu)化尺寸如表1所示。(a)(b)圖4天線的幾何形狀：(a)前視圖，(b)側視圖表1GPR天線的尺寸天線參數單位介質基板的寬度w1200介質基板的長度11250地板的長度1280貼片半徑radius75傳輸線的寬度w23反射板的長度w4360反射板的寬度l4310槽的長度l$5槽的寬度w$40第四章仿真結果和分析在本節(jié)中，分析了仿真所得的反射系數，輻射圖，增益和屏蔽盒對天線的影響的結果。仿真的電流分布也在本節(jié)中介紹。4.1回波損耗

20、天線在兩個條件下（有和沒有屏蔽箱）反射系數如圖所示。如圖5所示，兩個條件下的天線的工作性能幾乎可以在高達4GHz的頻帶上進行分析。沒有屏蔽盒時，天線的-10dBS11帶寬限制在500MHz到2GHz。通過將天線放置在開口的屏蔽盒中，天線的工作帶寬就很容易地從480MHz增加到2.15GHz。這種超寬帶的相對帶寬為60%。4.2輻射方向圖圖6是沒有屏蔽盒的天線的立體輻射圖。分別是在500MHz和1GHz兩種不同的頻率下的輻射圖。如圖6所示，在兩個不同頻率下天線的輻射均是全向的。天線的增益分別為2.1dB和4.6dB。如圖7所示，是當放置在開口的屏蔽盒內時，天線的立體輻射圖。類似地，分別是在500

21、MHz和1GHz兩種不同的頻率下的輻射方向圖。如圖7所示，與圖6所示的方向圖相比，天線的輻射圖略微改變，方向性更強。此外，天線的增益在500MHz時從2.1dB增加到6.8dB。在1GHz時，增益從4.6dB增加到6.2dB。由于屏蔽盒的作用,放置在開口屏蔽盒內的天線具有更好的性能（與沒有屏蔽盒的天線相比）。這些特點為天線應用于GPR系統(tǒng)提供了優(yōu)勢，因為它使得信號在地表下傳播更深。因此，使用此天線將增加GPR系統(tǒng)的穿透深度。Typ。ApproxinationbloritorConponntOutputFrcqucncyRod.cFFic.rot.cFficGainCain0-5-G.2797d

22、B05B69dP2.105dDenabled(kR»1)FarField(F=#.5)1fibsFArFiPlri1enabled(kR9.2804dDJ1.6J18dB-9.041573dBfarField(F=1.0)11W*1ApproximationMonitorconponencOutputFrequencyRdiJ.rFFii;.rot.erric.Gain(a)(b)圖6沒有反射板時的天線輻射圖(a)0.5GHz，(b)1.0GHztnbltdRIE»1)Farfi&ld(F-O-E)1"bncalnB.L-g.1*i7SdB-0.1B57d

23、BTyppApproxinatiomHonitoi-CunpuiiviiLn“TiiirIrequencyRad.effic.TuL.uffiu卜rarripirth.APA(1HUainarlielduzuoudlfL'lidblud(kR>>1)Iarlield1-1>III胛flppruKiiMLiuiiMonitorGuiipuiiuiiLUutputFrpqupnRyHad.僧mr.pfFln.Gain-n.?nunhrdB(a)(b)圖7帶反射板的天線輻射圖(a)0.5GHz(b)1.0GHz4.3電流分布圖查看天線的電流分布是一種物理方法。為了和前面的頻

24、率一致，以相同的頻率分析了在500MHz和1GHz時具有金屬屏蔽盒的圓形貼片天線的電流分布。圖8所示是通過天線傳播的電流分布和電場。(a)2T?r»：egdtenotrraiUtpo-icp(vld:n:少m：<mum;少W:<,pzston:H-ft-m-fy!Fh-i-:E-Feid0,0.LL.T3.3E+03(b)圖8電流分布(a)0.5GHz時的電流分布，(b)1GHz時的電流分布4.4無屏蔽盒時優(yōu)化仿真結果dB(GainTotal)-岀5865e-001-2.9808e+000-5.6029e+000-8.2250e+000-108476+001-1.3469

25、e+001-160916+001-1.8714e+001-2.1336e+001-2.3958e+001-2.65806+001-巴9202&+001-3.18246+001-3.44466+001-缶7069e+001-3.9691e+001一42313e+001dB(GainTotal)3.4898e+0008.2195e-001-1.8459e+000-.51386+000-7.1816e+000-9.8495e+000-1.25176+001-1.5185e+001-1.7853e+001-2.0521e+001-2.3189e+001-2.58576+001-2.852也+0

26、01-3.1192e+001-3.38606*001-3.6528e+001-3.9196e+001Z(a)b)圖9沒有屏蔽箱時天線的輻射圖(a)0.5GHz，(b)1.0GHz由仿真結果知Ws對天線的回波損耗影響較大，本文分別分析了Ws=38mm、38.5mm、39mm、40mm時回波損耗的變化情況，如下圖10所示。由分析結果知選取Ws=39mm比較合適。dB(GainTotal)I-3.1022e+000I-5.8595e+000 -8.6168e+00O-1.1374e+001-1.41316+001 -1.6889e+001L-1.9646e+001 -2.2403e+001 -2.5

27、161e+001-2.7918e+001I-3.0675e+001-3.3433e+001-3.61906+001-3.8947e+001I-4.17046+001'-4.4462e+001(LdsmpFreqGHz圖10天線的仿真反射系數比較圖(L-Lwmp-18-20-22-FreqGHz圖11天線的仿真反射系數dB(GainTotal)3,51678+000I1.0008e+000 -1.5150e+000 -4.0309e+000-6.5468e+000.-9.0626e+000.-1.1579e+001.-1.4094e+00iI-1.6610e+001 -1.9126e+0

28、01I-2.16426+001I-2.m58e+001 -2.6674e+001-2.91906+001-3.17056+001 -3.42216+001 -3.6737e+001(a)(b)圖12Ws=39mm時的天線輻射圖(a)0.5GHz，(b)1.0GHz4.5帶屏蔽盒的優(yōu)化仿真結果圖13仿真模型的主視圖和側視圖由下圖可知Ws=40mm時，d=100mm時S性能比較好。(L-L)smp0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5FreqGHz圖14W=40mm時S“比較圖s11(L-L)smp圖15W=39mm時S“比較圖s11根據優(yōu)化仿真結果，在帶屏蔽盒時選取Ws=4

29、0mm,d=100mm。(L-L)smp圖16W=40mm時圖s11dB(GainTotal)-4.41516-001I-2.9882e+000-5,53486十000-8.0815e+000-1.06288+001-1.3175e+001-1.57216+001-1.8268e+001I-2.0815e+001-2.33616+001-2.5908e+001-2.8455e+001l-3.10016+001-33548e+001-3.6095e+001I-3.86me+001-U,1188e+001dB(GainTotal)318756+000I1.0027e+000V -1.1822e+0

30、00V -3.36708+000-5.5518e+000-7.7367e+000.-9.9215e+000-1.2106e+00i-1.4291e+001-1.64768+001-1.8661e+001-2.0866+001-2.30306+001 -2.5215e+001-2.74006+001B-2.9585e4-001 -3.17706+001(a)b)圖17W=40mm時天線的輻射圖(a)0.5GHz,(b)1.0GHz第五章結論本文提出并仿真分析了一種應用于GPR系統(tǒng)的圓形貼片天線，其接地平面挖有矩形槽。通過在天線中添加金屬屏蔽盒來增大探地范圍。在高達4GHz的工作頻帶內幾乎可以觀察

31、到兩種情況下（有屏蔽盒和無屏蔽盒）的所以類似特性。屏蔽盒可以讓天線具有更好的定向輻射性。除此之外，在觀察到的兩個工作頻率下，天線的增益也增加了，在500MHz時從2.1dB增加到6.8dB,在1GHz時從4.6dB增加到6.2dB。這些是本文所提出的天線的顯著優(yōu)點，使其更適用于GPR系統(tǒng)。參考文獻1 Ren,W.,ThePortableGroundPenetratingRadarSystemDesign.2010,UniversityofHouston.2 Soldovieri,F.andR.Solimene,"GroundPenetratingRadarSubsurfaceImag

32、ingofBuriedObjects,"N.R.C.InstituteforElectromagneticSensingoftheEnvironment,Italy,Editor.2010.3 L.Li,A.EChoonTan,K.JhambandK.Rambabu,"Buriedobjectcharacterizationusingultra-widebandgroundpenetratingradar"IEEETransactiononMicrowaveandTechniques,Vol.60,No8,Aug2012.4 P.Cao,YHuangandJZhang,"AUWBmonopoleantennaforGPRApplications,"6thEuropeanConferenceonAntennaandPropagationsEuCAP2012.5 N.PAgrawall,G.KumarandK.PRay,"Widebandplanarmonopoleantennas."IEEEtransactionAntennaandPropagationVol.46,1998.6 C.ABalanis,"Antennatheory:Analy