CN102901962B - 一种地质雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地质雷达，包括：处理器，用于控制地质雷达工作；雷达发射机，与处理器连接，用于发射雷达波；发射天线，与雷达发射机连接，用于发射雷达波；接收天线，用于接收经反射的雷达波；以及，雷达接收机，与接收天线连接，用于对接收天线接收的雷达波进行处理，地质雷达还包括波束偏折器，用于将发射天线发射的雷达波偏折。本发明的地质雷达，由于采用了波束偏折器，使得由发射天线发射的雷达波偏折，进而使得雷达波向更大的范围发射，进而使得该地质雷达能够探测更大范围内的地质情况。根据本发明的地质雷达还采用了波束汇聚器，其可用于汇聚从地下返射的雷达波，进而使得接收天线能够获得更大范围的雷达波，以便更精确地获知地下情况。

Description

一种地质雷达

【技术领域】

本发明涉及一种雷达，特别是涉及一种地质雷达。

【背景技术】

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—Com，Inc.)的Terrascan MK系列，日本应用地质株式会社(0Y0公司)的GEORADAR系列，加拿大探头及软件公司(SSI)的PulseEKKO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O～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。探测的分辨率问题，是指对多个目的体的区分或小目的体的识别能力。概括地说，这个问题决定于脉冲的宽度，即与脉冲频带的设计有关。频带越宽，时域脉冲越窄，它在射线方向上的时域空间分辨能力就越强，或可近似地认为深度方向的分辨率高。分辨率问题，尚应包含水平空间方向上的区分性概念。这个分辨能力，在很大程度上决定于介质的吸收特性。介质吸收越强，目的体中心部位与、边缘部位的反射能量相对差别也越大，水平方向的分辨能力相对也就较强。分辨率还与地下各个方向上脉冲波的能量分布情况，即天线的方向图有关。然而现有技术中的地质雷达在水平方向的分辨能力相对有限，使得地质雷达的工作效率低下，不利于大范围的地质探测。而且，现有技术中的地质雷达，存在由于地下反射雷达波较弱而未能接收到反射雷达波，致使探测结果不准确的缺点。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明提供一种地质雷达，其包括：处理器，用于控制所述地质雷达工作；雷达发射机，与处理器连接，用于发射雷达波；发射天线，与雷达发射机连接，用于发射雷达波；接收天线，用于接收经反射的雷达波；以及，雷达接收机，与接收天线连接，用于对接收天线接收的雷达波进行处理，其中，地质雷达还包括超材料波束偏折器，用于将发射天线发射的雷达波分成多束子雷达波；该超材料波束偏折器包括基板以及附着在所述基板上的多个人造微结构，且所述基板的等效折射率在第一方向上相同，在第二方向上由所述基板的中间向所述基板的两侧逐渐变小。

在本发明的一种优选实施方式中，地质雷达还包括波束汇聚器，用于将经反射的雷达波汇聚指向接收天线。

在本发明的一种优选实施方式中，波束汇聚器为超材料波束汇聚器。

在本发明的一种优选实施方式中，超材料波束汇聚器包括基板以及附着在所述基板上的多个人造微结构，基板的等效折射率在第一方向上相同，在第二方向上由基板的两侧向基板的中间逐渐变大。

在本发明的一种优选实施方式中，波束偏折器为超材料波束偏折器。

在本发明的一种优选实施方式中，超材料波束偏折器包括基板以及附着在所述基板上的多个人造微结构，且基板的等效折射率在第一方向上相同，在第二方向上由基板的中间向基板的两侧逐渐变小。

本发明的地质雷达，由于采用了波束偏折器，使得由发射天线发射的雷达波分裂成多个子雷达波，进而使得多个子雷达波向更大的范围发射，进而使得该地质雷达能够在水平方向上探测更大范围内的地质情况。根据本发明的地质雷达还采用了波束汇聚器，其可用于汇聚从地下返回的子雷达波，进而使得接收天线能够获得更多的雷达波，以便更精确地获知地下情况。

【附图说明】

图1是本发明的地质雷达100的结构图；

图2是根据本发明的波束偏折器140的结构图，以及波束经过其后的传播情况；以及

图3是根据本发明的波束汇聚器150的结构图，以及波束经过其后的传播情况；

图4示出了波束通过根据图2中所示的超材料波束偏折器140后波束的传播情况；

图5示出了根据本发明的波束汇聚器150的具体结构；

图6示出了根据本发明的波束汇聚器150的另一种具体结构；

图7示出了波束通过根据图5中所示的超材料波束汇聚器150后波束的传播情况；

图8示出了多个人造微结构220的具体结构；

图9示出了人造微结构220的其他的几何形状。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1是根据本发明的地质雷达100的结构图。参考图1，本发明的地质雷达100包括处理器110，用于控制地质雷达工作；雷达发射机120，与处理器110连接，用于发射雷达波；发射天线130，与雷达发射机120连接，用于发射雷达波；接收天线160，用于接收经反射的雷达波；以及，雷达接收机170，与接收天线160连接，用于对接收天线160所接收的雷达波进行处理，其中，根据本发明的地质雷达100还包括波束偏折器140，用于将发射天线130所发射的雷达波偏折；波束汇聚器150，用于将经反射的雷达波汇聚指向接收天线160。

在本发明的实施方式中，处理器110用于控制地质雷达100的正常运行，包括控制雷达发射机120发射雷达波，控制雷达接收机170接收由接收天线160接收的雷达波，并对接收到的信号进一步处理，并据此判断地下地质情况。本发明的处理器110可以是工业计算机、单片机或是可编程逻辑器件等。

在本发明的实施方式中，雷达发射机120与处理器110电连接，受处理器110控制来产生雷达波。雷达发射机120所产生的雷达波的工作频率在10～1000MHz范围内。该频段的雷达波适用于探测地质条件。

发射天线130，与雷达发射机120电连接，用于将雷达发射机120产生的雷达波发射。该天线可以是反射面天线、透镜天线、喇叭天线、介质天线、漏波天线、微带天线、相控阵列天线等。

在本发明的地质雷达100中，还包括波束偏折器140，更具体而言，该波束偏折器140为超材料波束偏折器。该波束偏折器140将发射天线130所发射的雷达波偏折，并向地下发射，使得该地质雷达发射的雷达波能够覆盖更大的范围，以便探测地下更大范围内的地质情况。

图2示出了根据本发明的超材料波束偏折器140的具体结构。由图2可见，根据本发明的超材料波束偏折器140包括基材210以及附着在所述基板上的多个人造微结构220。基材210采用介电绝缘材料制成，在本实施方式中，基材210采用聚四氟乙烯制成。基材210上设置有多个人造微结构220，这些人造微结构220通过光刻、蚀刻等工艺，将人造微结构220附着在基材210上。由超材料技术可知，通过调整人造微结构220的几何形状、尺寸及其在基材210上的分布，可以调整整个超材料波束偏折器140上各处的等效介电常数及等效磁导率。当人造微结构220采用相同的几何形状时，例如本实施方式中的“I”字形时，如果超材料波束偏折器140上某处人造微结构220的尺寸越大，则该处的等效介电常数及等效磁导率越大。

由图2中可见，在图中的X轴方向上，人造微结构220的尺寸不变。由于人造微结构220的尺寸在X轴方向上大小相同，那么使得在超材料波束偏折器140上与X轴平行的直线上各处的等效介电常数及等效磁导率相同，并且由于材料的折射率与其介电常数及磁导率存在如下关系：

其中k为比例系数，其取值可以是正负1，ε为材料的介电常数，u为材料的磁导率，使得在超材料波束偏折器140上与X轴平行的直线上各处的折射率相同。

同理，由图2可见，在Y轴方向上，中间部分的人造微结构220的尺寸最小，人造微结构220的尺寸沿着Y轴向两边逐渐变大，并且在距离中间部分相同距离处的人造微结构220的尺寸相同，使得在超材料波束偏折器140上与Y轴平行的直线上各处的等效介电常数及等效磁导率由中间部分向两侧部分逐渐变大，中间部分的等效介电常数及等效磁导率最小，因而使得在超材料波束偏折器140上与Y轴平行的直线上各处的折射率从中间部分向两侧部分逐渐增大，中间部分的折射率最小。图3示出了本发明的超材料波束偏折器140上的折射率分布。

在图3中，由于在X轴方向上各处的折射率均相同，而在Y轴方向上的折射率变化，因而用平行于图2中的X轴的多条直线将超材料波束偏折器140上折射率相同的部分划分成一个单元，并且各单元的折射率分别用n1、n2、...np来表示。又因为，在Y轴上，在距离中间部分相同距离处的折射率相同，因而在Y轴上距离中间部分相同距离处的折射率用相同的标号表示，如图3所示。并且，由上述论述可知，n1<n2<...<np。

图4示出了波束通过根据图2中所示的超材料波束偏折器140后波束的传播情况。波束S1、S2入射到本实施方式中的超材料波束偏折器140后，发生偏折，偏折的角度θ与Δn及在X轴方向上排列的人造微结构220的个数q相关，具体关系如下：Sinθ=q·Δn，其中Δn表示相邻单元的折射率变化，且0<q·Δn<1。由上述公式可知，当相邻单元的折射率变化大小相同时，那么对于入射到超材料波束偏折器140上的波束的偏折角度均相同。而当相邻单元的折射率变化大小逐渐变大时，则对于入射到超材料波束偏折器140上中间部分的波束的偏折角度较小，而入射到超材料波束偏折器140上Y轴方向上两侧部分的波束的偏折角度逐渐变大。进而使得入射的雷达波向更大的范围内发射，使得雷达波能够覆盖更大的范围，甚至能够覆盖180°方位。

由波束偏折器140偏折后的雷达波发射到地表之下，在遇到被探测物后被反射，经反射的雷达波由波束汇聚器150汇聚并指向接收天线160的方向。

参考图5，图5示出了根据本发明的波束汇聚器150的具体结构，在本发明中，波束汇聚器150为超材料波束汇聚器。由图5可见，根据本发明的超材料波束汇聚器150包括基材510以及附着在基板510上的多个人造微结构520。基材510采用介电绝缘材料制成，在本发实施方式中，基材510采用聚四氟乙烯制成。基材510上设置有多个人造微结构520，这些人造微结构520通过光刻、时刻等工艺附着在基材510上。由超材料技术可知，通过调整人造微结构520的几何形状、尺寸及其在基材510上的分布，可以调整整个超材料波束汇聚器150上各处的等效介电常数及等效磁导率。当人造微结构520采用相同的几何形状时，例如本实施方式中的“I”字形时，如果超材料波束汇聚器150上某处人造微结构520的尺寸越大，则该处的等效介电常数及等效磁导率越大。

由图5可见，在图中的X轴方向上，人造微结构520的尺寸不变。由于人造微结构520的尺寸在X轴方向上大小相同，那么使得在超材料波束汇聚器150上与X轴平行的直线上各处的等效介电常数及等效磁导率相同，并且由于材料的折射率与其介电常数及磁导率存在如下关系：

其中k为比例系数，其取值可以是正负1，ε为材料的介电常数，u为材料的磁导率，使得在超材料波束汇聚器150上与X轴平行的直线上各处的折射率相同。

同理，在Y轴方向上，中间部分的人造微结构520的尺寸最小，并且人造微结构520的尺寸沿着Y轴向两侧部分逐渐变大，并且在距离中间部分相同距离处的人造微结构520的尺寸相同，使得在超材料波束汇聚器150上与Y轴平行的直线上各处的等效介电常数及等效磁导率逐渐变大，中间部分的等效介电常数及等效磁导率最小，因而使得在超材料波束汇聚器150上与Y轴平行的直线上各处的折射率从中间部分向两侧部分逐渐增大，中间部分的折射率最小。图6示出了本发明的超材料波束汇聚器150上的折射率分布。

在图6中，由于在图5的X轴方向上各处的折射率均相同，而在图5的Y轴方向上的折射率变化，因而用平行于X轴的多条直线将超材料波束汇聚器150上折射率相同的部分划分成一个单元，并且各单元的折射率分别用n1、n2、...np来表示。又因为，在Y轴上，在距离中间部分相同距离处的折射率相同，因而Y轴上距离中间部分相同距离处的折射率用相同的标号表示，如图5所示。由上述论述可知，n1>n2>...>np。

图7示出了波束通过根据图5中所示的超材料波束汇聚器150后波束的传播情况。波束S1、S2入射到本实施方式中的超材料波束汇聚器150后，发生偏折，偏折的角度θ与Δn及在X轴方向上排列的人造微结构520的个数相关q，具体关系如下：Sinθ=q·Δn，其中Δn表示相邻单元的折射率变化，且0<q·Δn<1。由上述公式可知，当相邻单元的折射率变化大小相同时，那么对于入射到超材料波束汇聚器150上的波束的偏折角度均相同。而当相邻单元的折射率变化大小逐渐变大时，则对于入射到超材料波束汇聚器150上中间部分的波束的偏折角度较小，而入射到超材料波束汇聚器150上Y轴方向上的两侧部分的波束的偏折角度逐渐变大。进而能够汇聚更大区域内反射雷达波，甚至能够汇聚180°方位上的反射雷达波。

因而，由地下被探测物反射的雷达波在通过根据本发明的超材料波束汇聚器150时，波束发生偏转，使得波束汇聚起来。参见图1，经波波束汇聚器150汇聚后的波束指向接收天线160，使得接收天线160能够接收更多的反射雷达波。

接收天线160，与雷达接收机170电连接，接收由被探测物反射且经超材料波束汇聚器150汇聚后的雷达波，并将所接收到的雷达波信号发送给雷达接收机170。

雷达接收机170接收由接收天线160获得的雷达波，进行预处理，之后发送到处理器110，处理器110根据该信号判断地表下的地质情况，包括判断地表下的探测物的位置等情况。其中预处理包括A/D转换、放大、降噪等处理。

同时参考图1至图6，在使用本发明的地质雷达100进行地质探测时，处理器100控制雷达发射机130产生雷达波，并由发射天线130将所产生的雷达波发射。波束偏折器140将经过其的雷达波偏折并且经地表发射进入地下。偏折后的雷达波的探测区域为由L1、L2及L3所围成的区域。雷达波经地表下的探测物反射返回地表以上，经波束汇聚器150汇聚并指向接收天线160的接收方向。接收天线160接收到经反射的子雷达波后传送给雷达接收机170，雷达接收机170进行预处理（A/D转换、放大、降噪等）后传送给处理器110。处理器110对获得的雷达波信号进一步处理，以判断地表以下的地质情况，包括计算地表下，探测物的位置及探测物的可能是何种物质。通过使用波束偏折器140使得根据本发明的地质雷达100可以探测地表下更大范围内的地质情况，提高了工作效率。通过使用波束汇聚器150使得根据本发明的地质雷达100可在即使反射的雷达波很弱的情况下，接收天线160也能收集到反射的雷达波信号，进而能够获知地表下的地质情况，提高可探测能力。采用本发明的地质雷达，可以增大探测范围，提高探测效率以及提高探测能力。

在上述说明中，具体说明了本发明的地质雷达的工作原理。由上述说明可见，实现具有图3所示的折射率分布的超材料波束偏折器140和具有如图6所示的折射率分布的超材料波束汇聚器150至关重要。下面具体介绍如何设计超材料波束偏折器140及超材料波束汇聚器150，使得其可以满足本发明的要求。

下面具体说明超材料波束偏折器140的设计原理，即如何设计基材210以及多个人造微结构220。在本发明中，将超材料波束偏折器140设计成多个人造微结构220均具有相同的几何结构。并且，在X轴方向上，多个人造微结构220的尺寸不变化，在Y轴方向上多个人造微结构220的尺寸由中间部分向两侧部分逐渐变大，中间部分最小。而多个人造微结构220得具体结构由图8示出。在本发明的实施方式中，人造微结构220的尺寸小于雷达波波长的十分之一，优选地，该人造微结构220的尺寸的数量级为雷达波波长的十分之一。并且，人造微结构220呈“I”字形，包括第一金属丝810及分别连接在第一金属丝810两端且垂直于该第一金属丝的第二金属丝820。

由超材料技术可知，通过调整人造微结构220的几何形状、尺寸及其在基材210上的分布，可以调整整个超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率。因而在本发明的其他实施方式中，超材料波束偏折器140上人造微结构220可以是具有其他的几何形状、尺寸，也可以非均匀地排列在基材上。只要使得超材料波束偏折器140在图4所示的X轴方向上的等效介电常数及等效磁导率不变化，而在Y轴方向上的等效介电常数及等效磁导率逐渐变化，也即在X轴方向上的等效折射率不变，在Y轴方向上的等效折射率逐渐变化，也可以实现本发明的发明目的。

例如，在本发明的其他实施方式中，人造微结构220可以采用其他的几何形状，如图9所示。在该实施方式中，人造微结构220呈相互垂直的“I”字形，该人造微结构220包括两条相互垂直的第一金属丝910及分别连接在每个所述第一金属丝910两端且垂直于该第一金属丝的第二金属丝920。调节人造微结构220的尺寸，并且人造微结构220在X轴方向上的尺寸不变，而在Y轴方向上的尺寸由中间部分向两侧部分逐渐变大，使得超材料波束偏折器140在图4所示的X轴方向上的等效介电常数及等效磁导率不变化，而在Y轴方向上的等效介电常数及等效磁导率逐渐变化，也即在X轴方向上的等效折射率不变，在Y轴方向上的等效折射率逐渐变化，也可以实现本发明的发明目的。

通过上述说明可知，人造微结构220可以采用其他的几何形状。甚至在同一超材料波束偏折器140上采用两种以上不同几何结构的人造微结构220，只要使得超材料波束偏折器140在图4所示的X轴方向上的等效介电常数及等效磁导率不变化，而在Y轴方向上的等效介电常数及等效磁导率逐渐变化，也即在X轴方向上的等效折射率不变，在Y轴方向上的等效折射率逐渐变化，就可以实现本发明的发明目的。

当然，在本发明的其他实施方式中，也可以改变超材料波束偏折器140中人造微结构220的几何尺寸及其在基材上的分布，来实现超材料波束偏折器140在图4所示的X轴方向上的等效介电常数及等效磁导率不变化，而在Y轴方向上的等效介电常数及等效磁导率逐渐变化，也即在X轴方向上的等效折射率不变，在Y轴方向上的等效折射率逐渐变化，就可以实现本发明的发明目的。其原理与上述说明中的原理相同。在此不再赘述。

同理，超材料波束汇聚器150的设计原理，即如何设计基材510以及多个人造微结构520也至关重要。在本发明中，将超材料波束汇聚器150设计成多个人造微结构520均具有相同的几何结构。并且，在X轴方向上，多个人造微结构520的尺寸不变化，在Y轴方向上多个人造微结构520的尺寸由中间部分向两侧部分逐渐变大，中间部分最小。而多个人造微结构520得具体结构也可以采用图8所示出的结构。在本发明的实施方式中，人造微结构520的尺寸小于雷达波波长的十分之一，优选地，该人造微结构520的尺寸的数量级为雷达波波长的十分之一。并且，人造微结构520呈“I”字形，包括第一金属丝810及分别连接在第一金属丝810两端且垂直于该第一金属丝的第二金属丝820。

由超材料技术可知，通过调整人造微结构520的几何形状、尺寸及其在基材510上的分布，可以调整整个超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率。因而在本发明的其他实施方式中，超材料波束汇聚器150上人造微结构520可以是具有其他的几何形状、尺寸，也可以非均匀地排列在基材上。只要使得超材料波束汇聚器150在图4所示的X轴方向上的等效介电常数及等效磁导率不变化，而在Y轴方向上的等效介电常数及等效磁导率逐渐变化，也即在X轴方向上的等效折射率不变，在Y轴方向上的等效折射率逐渐变化，也可以实现本发明的发明目的。

例如，在本发明的其他实施方式中，人造微结构520可以采用其他的几何形状，如图9所示。在该实施方式中，人造微结构520呈相互垂直的“I”字形，该人造微结构520包括两条相互垂直的第一金属丝910及分别连接在每个所述第一金属丝910两端且垂直于该第一金属丝的第二金属丝920。调节人造微结构920的尺寸，并且人造微结构520在X轴方向上的尺寸不变，而在Y轴方向上的尺寸由中间部分向两侧部分逐渐变大，使得超材料波束汇聚器150在图4所示的X轴方向上的等效介电常数及等效磁导率不变化，而在Y轴方向上的等效介电常数及等效磁导率逐渐变化，也即在X轴方向上的等效折射率不变，在Y轴方向上的等效折射率逐渐变化，也可以实现本发明的发明目的。

通过上述说明可知，人造微结构520可以采用其他的几何形状。甚至在同一超材料波束汇聚器150上采用两种以上不同几何结构的人造微结构520，只要使得超材料波束汇聚器150在图4所示的X轴方向上的等效介电常数及等效磁导率不变化，而在Y轴方向上的等效介电常数及等效磁导率逐渐变化，也即在X轴方向上的等效折射率不变，在Y轴方向上的等效折射率逐渐变化，就可以实现本发明的发明目的。

当然，在本发明的其他实施方式中，也可以改变超材料波束汇聚器150中人造微结构520的几何尺寸及其在基材上的分布，来实现超材料波束偏折器140在图4所示的X轴方向上的等效介电常数及等效磁导率不变化，而在Y轴方向上的等效介电常数及等效磁导率逐渐变化，也即在X轴方向上的等效折射率不变，在Y轴方向上的等效折射率逐渐变化，就可以实现本发明的发明目的。其原理与上述说明中的原理相同。在此不再赘述。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (4)

1.一种地质雷达，包括：

处理器，用于控制所述地质雷达工作；

雷达发射机，与处理器连接，用于发射雷达波；

发射天线，与所述雷达发射机连接，用于发射所述雷达波；

接收天线，用于接收经反射的所述雷达波；以及

雷达接收机，与所述接收天线连接，用于对所述接收天线接收的所述雷达波进行处理，

其特征在于，所述地质雷达还包括超材料波束偏折器，用于将所述发射天线发射的所述雷达波分成多束子雷达波；该超材料波束偏折器包括基板以及附着在所述基板上的多个人造微结构，且所述基板的等效折射率在第一方向上相同，在第二方向上由所述基板的中间向所述基板的两侧逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的地质雷达，其特征在于，所述地质雷达还包括波束汇聚器，用于将经反射的所述雷达波汇聚指向所述接收天线。

3.根据权利要求2所述的地质雷达，其特征在于，所述波束汇聚器为超材料波束汇聚器。

4.根据权利要求3所述的地质雷达，其特征在于，所述超材料波束汇聚器包括基板以及附着在所述基板上的多个人造微结构，所述基板的等效折射率在第一方向上相同，在第二方向上由所述基板的两侧向所述基板的中间逐渐变大。

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