探测地下目标的探地雷达天线的仿真设计

探测地下目标的探地雷达天线的设计
摘要：本文提出了用于地下物体检测的探地雷达（GPR）中的平面天线的设计。

天线的工作带宽在500MHz至2GHz频带内。

这种宽频带的性能使天线适用于探测地下目标的GPR 应用。

Taconic TLY-5用作介质基板的材料，介电常数为2.2，损耗正切为0.0009，厚度为1.57 mm。

所提出的天线结构简单，平面完整，易于与其他平面设备集成。

为了使天线定向辐射，天线放置在开口的金属屏蔽箱内。

反过来，这种方法也增加了天线的增益。

本文还分析了天线的反射系数，增益，辐射方向图的仿真结果。

关键词：天线，探地雷达，GPR
Design of Ground Penetrating Radar Antenna for Buried Object
Detection
Abstract: In this paper, the design of planar antenna for use in Ground Penetrating Radar (GPR) for buried object detection is presented. The proposed antenna offers wide operational bandwidth within 500 MHz to 2 GHz frequency band. This property makes the antenna suitable for the application of GPR for buried object detection. Taconic TLY-5 is used as the substrate with dielectric constant of 2.2, tangent loss of 0.0009 and thickness of 1.57 mm. The proposed antenna has simple structure and fully planar, therefore it is easy to integrate with other planar devices. To obtain a directional radiation pattern, the antenna is placed inside an open metallic shielded box. In turn, the gain of the antenna is also increased using this approach. The results in term of reflection coefficient, gain, radiation pattern of the antenna are discussed in this paper.
Key word: Antenna, Ground Penetrating Radar, GPR
目录
第一章引言 (3)
第二章探地雷达 (5)
2.1单站雷达系统 (5)
2.2双站雷达系统 (6)
2.3多站雷达系统 (6)
第三章天线设计 (7)
3.1天线的结构设计 (7)
第四章仿真结果和分析 (9)
4.1回波损耗 (9)
4.2辐射方向图 (9)
4.3电流分布图 (10)
4.4无屏蔽盒时优化仿真结果 (11)
4.5带屏蔽盒的优化仿真结果 (13)
第五章结论 (15)
参考文献 (16)
第一章引言
雷达探测技术用于地下，是一项提出较早的课题。

然而只是在高频微电子技术以及计算机数据处理方法迅速开发的近代，这项技术才获得本质性的进展。

今天，探地雷达不仅在探测装备上高度集中了现代技术领域的成就而得到了极大的改善，它的应用领域也正在迅速开拓。

美国、加拿大、日本以及西欧等国正大力开发这一技术，服务业务也日益增多。

有关该项技术方面的应用成果和文章，已频繁地出现在一些期刊、专门会议文集以及各种地球物理国际学术会议的报告中。

1992年在芬兰召开的第四届探地雷达国际会议上，提交优秀论文45篇，并已汇集成册。

目前我国也有不少部门，包括地矿、水电、煤炭、铁道等单位正在开展这一技术的试验和应用。

与探空或通讯雷达技术相类似，探地雷达也是利用高频电磁脉冲波的反射探测目的体及地质现象的，只是它是从地面向地下发射电磁波来实现探测的，故亦称之为地质雷达。

将雷达原理用于探地，早在1910年就已提出，当时德国的G. Leimback和Lowy曾以专利形式阐明这一问题.以后，J.C. Cook在1960年用脉冲雷达，在矿井中做了试验.但是，由于地下介质比空气具有强得多的电磁波衰减特性，加之地下介质情况的多样性，波在地中的传播特性比在空气中要复杂得多.因此，探地雷达的初期应用仅限于波吸收很弱的冰层、岩盐矿等介质中。

如S.Evans1963年用雷达测量极地冰层的厚度；Harrison1970年在南极冰面上取得了穿透800~220om的资料；1974年L. T. Procello用雷达研究月球表面结构；Unbterberger探测冰川和冰山的厚度等。

随着仪器信噪比的大大提高和数据处理技术的应用，70年代以后，探地雷达的实际应用范围迅速扩大，其中有:石灰岩地区采石场的探测(1971年Takazi;1973年Kitahra)、工程地质探测(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)、煤矿井探测(1975年J.C. Cook)、泥炭调查(1982年C. P. F. Ulriksen)、放射性废弃物处理调查(1982年D.L. wright，R.D.Watts;1985年0.Olsson 以及地面和钻孔雷达用于地质构造填图、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测和水坝、隧道、堤岸、古墓遗迹探查等（1982~1987年加拿大、日本、美国、瑞典等报道）。

随着微电子技术的迅速发展，现在的探地雷达设备早已由庞大、笨重的结构改进为现场适用的轻便工具。

目前，已推出的商用探地雷达有:美国地球物理探测设备公司(GSSI)的SIR 系列，微波联合公司(M/A一Com，Ine.)的Terrascan MK系列，日本应用地质株式会社(OYO 公司)的GEORADAR系列，加拿大探头及软件公司(SSI)的pulse EKKO系列，瑞典地质公司(SGAB)的RAMAC钻孔雷达系统等。

这些商用的探地雷达所使用的中心工作频率在10~1000MHz范围，时窗在0~20000ns。

据报道，根据不同的地质条件，地面系列的探测深度约在30~50m，分辨率可达数厘米，深度符合率小于±5cm。

探地雷达由于采用了宽频短脉冲和高采样率，使其探测的分辨率高于所有其它地球物理探测手段，又由于采用可程序高次叠加(多达4000次)和多波形处理等信号恢复技术，因而大大改善了信噪比和图象显示性能。

今后的趋势是向多天线高速扫描接收和进一步改善天线对各种目的体的回波响应性能，以实现
更精确、小尺寸、高工效、低成本以及图象联系真实地质情况等总的要求。

理论研究方面，目前仍相对地集中在信号处理上。

这是因为探地雷达所接收到的信号十分复杂。

脉冲在通过地下介质的过程中，波形和波幅将发生较大的变化，而脉冲余振、系统内部干扰、地表不光滑或地下介质不均匀等引起的散射以及剖面旁侧的绕射等干扰，均使得实时记录图象多变和不易分辨。

但是当前的信号处理还只限于时间波形处理，如从单次测量结果中减去平均波形以压低噪声和杂乱回波、采用时变增益以补偿介质吸收和抑制深部噪声、用频率滤波以剔除不必要的干扰频率等。

除此之外，还研究采用了聚焦技术，以集中目的体的空间响应;采用讯号增强以及预反褶积等数值处理技术，以加强近地表被强初至模糊了的反射体波形特征等。

为了识别图象或对图象进行地质解释，除了在简单形体正演基础上大多采用人工判读方法外，正在开展专家系统技术的有关研究。

和地震勘探工作相似，探地雷达探测体的正反演研究也正在进行之中。

我国的探地雷达仪器研制始于70年代初期。

地质矿产部物探研究所、煤炭部煤炭科学院重庆分院，以及一些高等院校和其它研究部门均做过探地雷达仪器研制和野外试验工作。

当时使用的是同点天线，以高频示波器显示回波，直接读取初至或照相记录波形。

但由于种种原因，这一技术未能正式用于实际。

现在，国家地震局、水电勘测设计部门、煤炭部门、铁道部门、黄河水利委员会有关部门以及中国地质大学(武汉)相继引进了国外的仪器，探地雷达的应用和理论研究工作也正日益扩展。

中国地质大学(武汉)在国家自然科学基金资助下，于1991年开始进行了探地雷达地下目的体的正反演研究工作，完成了大量的物理模拟和数值模拟的实验和计算工作，为现场应用中资料解释和进一步的理论研究奠定了基础。

为配合研究工作，自1990年开始，该校在短短的两年半时间内完成了8个省、自治区和直辖市5类岩土对象的30余个工程工区、包括众多地质问题的现场探测。

现在，可以说，探地雷达的下列技术特性已为其开拓应用领域，尤其是在工程地质领域的应用铺平了道路:（l）探地雷达是一种非破坏性的探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场。

工作场地条件宽松，适应性强(对于轻便类的仪器)；（2）抗电磁干扰能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；（3）具有工程上较满意的探测深度和分辨率。

现场直接提供实时剖面记录图，图象清晰直观；（4）便携微机控制数字采集、记录、存储和处理。

轻便类仪器现场仅需3人或更少人员即可工作，工作效率高。

当然，由于使用了高频率，电磁波能量在地下的衰减剧烈，因而在高导厚覆盖条件下，探测范围受到限制。

探地雷达（GPR）[1]是一种使用雷达脉冲信号对地下目标进行成像的地球物理方法。

这种非破坏性和非导电性方法使用的是电磁辐射，在RF/微波频谱中一般从几十MHz到几GHz，并检测来自地下或内部结构的反射信号。

工作在不同频率的GPR系统显示不同的分辨率和探测深度，可以用于不同的频率应用。

第二章 探地雷达
探地雷达（Ground Penetrating Radar ，GPR ）又称透地雷达，地质雷达，是用频率介于10^6-10^9Hz 的无线电波来确定地下介质分布的一种无损探测方法。

探地雷达方法是通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射，根据接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。

探地雷达可用于检测各种材料，如岩石、泥土、砾石，以及人造材料如混凝土、砖、沥青等的组成[2][3]。

GPR 系统中雷达结构有几种类型：单站、双站、多站。

在单站雷达结构中，用单个天线接受和发射雷达信号。

在双站雷达结构中，用一个天线接受信号，另一个天线发射信号。

在多站雷达系统中，用一个天线发射信号，多个接收天线排成一个阵列作为接收部分[4]。

2.1单站雷达系统
在单站雷达结构中，传输和接收的信号通过循环器分离。

在发射机中产生的信号直接传送到天线。

传输的信号将通过地面传播，反射信号将被相同的天线接收，并由循环器路由到接收系统。

当发射的信号遇到和土壤具有不同介电常数的任何物体时，发生反射。

在该系统中，目标所接收的功率可以按下式计算：
24(4)t t
r s r PG A P R =s p 且 24r
r G A =l p （式2- 1）
在式（1）中，P r 表示为天线接收的功率。

可以看出它是由天线发射功率P t ，发射增益G t ，天线接收增益G r ，接收天线的有效孔径A r 和位于距离R 处反射目标的散射截面σs 共同决定。

在单站雷达系统中，接收机中的信号掺杂有源自发射机与地面反射的直接耦合的杂波。

因此，为了更好的探测地下目标，这种耦合应该减小至最小化[5]。

通常情况下，GPR 系统中的单个发送和接收天线是更适用于探测地下目标，它避免了在单站雷达系统中隔离接收和发射信号的难度。

图1单站雷达结构
2.2双站雷达系统
图2双站雷达结构
图2是探测地下目标的双站雷达结构。

双站雷达结构采用两个相距很远的地点。

发射机放置在一个位置，相应的接收机放置在另一个位置。

目标检测过程类似于单站雷达，其中目标由发射机照射，反射信号在双站雷达接收机中被检测和处理。

目标位置的确定比单站雷达更为复杂。

在这种情况下，需要更多的参数来解决发射机－目标－接收机的三角形关系，又称为双静态三角形。

这包括总信号传播时间，接收机的正交角度测量以及发射机位置的估计。

关于单站和双站雷达系统的详细资料可以参考[6] - [10]。

2.3多站雷达系统
多站雷达系统如图3所示。

除了在接收机端是天线阵列外，其结构类似于双站雷达系统。

天线阵列的功能是为了获取来自不同方向的反射信号。

图3多站雷达结构
第三章 天线设计
本节介绍了一种应用于GPR 系统中的具有缺陷的接地平面的圆形贴片天线。

天线采用CST Microwave Studio 设计。

Taconic TLY-5用作介质基板，介电常数为2.2，厚度为1.57毫米。

3.1天线的结构设计
图4是提出的天线结构。

在该设计中，基板的宽度和长度为200mm ×250mm 。

天线用50欧姆的波端口激励。

接地板的长度与圆形贴片天线的传输线长度相同。

为了获得宽的工作带宽，通过这两个参数l s 和w s 改变接地板的结构。

修改部分位于传输线和圆形贴片天线之间的接触点的正下方。

圆贴片半径r 为75mm 。

半径可以使用下面圆形公式计算，如式2[5]。

1/2
2{1[ln() 1.7726]}2r F
r h F h =++p p e (式3-1)
其中9
F = 注意，h 是基板的厚度，必须以厘米为单位。

f r 是工作频率，εr 是基板的介电常数。

为了获得定向辐射图，天线放置在开口的金属屏蔽盒内。

这个屏蔽盒作为反射板，和天线间距为d 。

所提出的天线的整体优化尺寸如表1所示。

(a) (b)
图 4.天线的几何形状：(a)前视图， (b)侧视图
表1 GPR天线的尺寸
天线参数单位介质基板的宽度w1200介质基板的长度l1250 地板的长度l280 贴片半径radius75 传输线的宽度w2 3 反射板的长度w4360 反射板的宽度l4310 槽的长度l s 5 槽的宽度w s40
第四章仿真结果和分析
在本节中，分析了仿真所得的反射系数，辐射图，增益和屏蔽盒对天线的影响的结果。

仿真的电流分布也在本节中介绍。

4.1回波损耗
天线在两个条件下（有和没有屏蔽箱）反射系数如图所示。

如图5所示，两个条件下的天线的工作性能几乎可以在高达4GHz的频带上进行分析。

没有屏蔽盒时，天线的-10 dB S11带宽限制在500 MHz到2 GHz。

通过将天线放置在开口的屏蔽盒中，天线的工作带宽就很容易地从480 MHz增加到2.15 GHz。

这种超宽带的相对带宽为60％。

图5天线仿真的反射系数
4.2辐射方向图
图6是没有屏蔽盒的天线的立体辐射图。

分别是在500 MHz和1 GHz两种不同的频率下的辐射图。

如图6所示，在两个不同频率下天线的辐射均是全向的。

天线的增益分别为2.1 dB 和4.6 dB。

如图7所示，是当放置在开口的屏蔽盒内时，天线的立体辐射图。

类似地，分别是在500 MHz和1 GHz两种不同的频率下的辐射方向图。

如图7所示，与图6所示的方向图相比，天线的辐射图略微改变，方向性更强。

此外，天线的增益在500 MHz 时从2.1 dB增加到6.8 dB。

在1 GHz时，增益从4.6 dB增加到6.2 dB。

由于屏蔽盒的作用，放置在开口屏蔽盒内的天线具有更好的性能（与没有屏蔽盒的天线相比）。

这些特点为天线应用于GPR系统提供了优势，因为它使得信号在地表下传播更深。

因此，使用此天线将增加GPR系统的穿透深度。

(a) (b)
图 6没有反射板时的天线辐射图 (a) 0.5 GHz ，(b) 1.0 GHz
(a) (b)
图 7带反射板的天线辐射图 (a) 0.5GHz (b) 1.0GHz
4.3电流分布图
查看天线的电流分布是一种物理方法。

为了和前面的频率一致，以相同的频率分析了在500 MHz 和1GHz 时具有金属屏蔽盒的圆形贴片天线的电流分布。

图8所示是通过天线传播的电流分布和电场。

(a)
(b)
图8电流分布（a）0.5 GHz时的电流分布，（b）1 GHz时的电流分布4.4无屏蔽盒时优化仿真结果
(a) （b）
图9没有屏蔽箱时天线的辐射图(a) 0.5 GHz，(b) 1.0 GHz
由仿真结果知Ws 对天线的回波损耗影响较大，本文分别分析了Ws=38mm、38.5mm 、39mm 、40mm时回波损耗的变化情况，如下图10所示。

由分析结果知选取Ws=39mm比较合适。

图10天线的仿真反射系数比较图
图11天线的仿真反射系数
(a) （b）
图12 Ws=39mm时的天线辐射图(a) 0.5GHz，(b) 1.0GHz
4.5带屏蔽盒的优化仿真结果
图13仿真模型的主视图和侧视图由下图可知Ws＝40mm时，d＝100mm时S11性能比较好。

图14 W s＝40mm时S11比较图
图15W s＝39mm时S11比较图
根据优化仿真结果，在带屏蔽盒时选取W s＝40mm，d=100mm。

图16W s＝40mm时S11图
(a) （b）
图17 W s＝40mm时天线的辐射图(a) 0.5GHz，(b) 1.0GHz
第五章结论
本文提出并仿真分析了一种应用于GPR系统的圆形贴片天线，其接地平面挖有矩形槽。

通过在天线中添加金属屏蔽盒来增大探地范围。

在高达4 GHz的工作频带内几乎可以观察到两种情况下（有屏蔽盒和无屏蔽盒）的所以类似特性。

屏蔽盒可以让天线具有更好的定向辐射性。

除此之外，在观察到的两个工作频率下，天线的增益也增加了，在500MHz时从2.1dB 增加到6.8dB，在1GHz时从4.6dB增加到6.2dB。

这些是本文所提出的天线的显著优点，使其更适用于GPR系统。

参考文献
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