CN111487618B

CN111487618B - 应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法及装置

Info

Publication number: CN111487618B
Application number: CN202010528390.5A
Authority: CN
Inventors: 郭林燕; 尹曜田; 赵晓; 张启升; 李波
Original assignee: China University of Geosciences Beijing
Current assignee: China University of Geosciences Beijing
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2040-06-11
Also published as: CN111487618A

Abstract

本发明实施例提供一种应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法及装置，所述方法包括：根据反射波束与测试波束的幅值比确定当前探测环境的等效阻抗；若判断获知预设的码表中包含所述等效阻抗，则根据所述等效阻抗匹配其对应的控制参数；所述码表存储有若干种场景下的特征阻抗及其对应的控制参数；将所述控制参数发送至可重构阻抗匹配层，以使其调节自身的特征阻抗。本发明实施例提供的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法及装置，针对探地雷达探测过程中的地表强反射，通过监测环境的实时阻抗，并动态调节匹配层的特征阻抗，实现探地雷达与探测环境的自适应阻抗匹配，减小地表强反射回波，增加馈入地下的有效探测能量，提高探测深度和信噪比。

Description

应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法及装置

技术领域

本发明涉及探地雷达技术领域，尤其涉及一种应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法及装置。

背景技术

探地雷达的天线一般是以无限大自由空间(即：空气)为负载进行设计并测试其性能。在实际探测过程中，探测环境(比如：水泥地、沙地等非空气的物质环境)位于探地雷达天线的近场区域，由于探测环境的阻抗与空气的阻抗不同，使得探地雷达天线的性能受到影响，无法正常辐射出设计时的高增益电磁波束。此外，探地雷达的天线一般与地面有一定的距离，一般为几厘米到半米。由于空气与探测环境介质之间的阻抗突变，会产生远大于异常体回波信号的反射回波(即：地表强反射)，降低了异常体探测的信噪比，并且造成了能量的浪费，大大削弱了探地雷达系统的探测能力和探测精度。

现有技术中，常见的针对地表强反射的方法是通过时间选通错开地表强回波，减小对接收机的影响，但不能有效增加馈入地下的电磁波能量，无法提高系统的信噪比和探测深度。

具有阻抗固定的单层或者多层介质阻抗匹配层的探地雷达，应用场景有限，只能针对固定阻抗的某一种探测环境使用，无法针对不同的探测环境进行阻抗匹配。

发明内容

本发明实施例提供一种应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法及装置，用于解决现有技术中的上述技术问题。

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法，包括：

根据反射波束与测试波束的幅值比确定当前探测环境的等效阻抗；

若判断获知预设的码表中包含所述等效阻抗，则根据所述等效阻抗匹配其对应的控制参数；所述码表存储有若干种场景下的特征阻抗及其对应的控制参数；

将所述控制参数发送至可重构阻抗匹配层，以使其调节自身的特征阻抗。

进一步地，所述根据反射波束与测试波束的幅值比确定当前探测环境的等效阻抗之后，还包括：

若判断获知所述码表中不包含所述等效阻抗，则根据调节控制过程中特征阻抗在史密斯圆图上的变化规律，通过迭代最小化进行优化，逼近目标阻抗，确定新的控制参数。

进一步地，所述确定新的控制参数之后，还包括：

将特征阻抗和新的控制参数存入所述码表。

第二方面，本发明实施例提供一种应用于探地雷达的阻抗控制器，包括：

确定模块，用于根据反射波束与测试波束的幅值比确定当前探测环境的等效阻抗；

匹配模块，用于若判断获知预设的码表中包含所述等效阻抗，则根据所述等效阻抗匹配其对应的控制参数；所述码表存储有若干种场景下的特征阻抗及其对应的控制参数；

发送模块，用于将所述控制参数发送至可重构阻抗匹配层，以使其调节自身的特征阻抗。

第三方面，本发明实施例提供一种应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配系统，包括：发射天线、接收天线、可重构阻抗匹配层和阻抗控制器；

所述发射天线、所述接收天线和所述可重构阻抗匹配层分别与所述阻抗控制器相连接；

所述发射天线用于发射测试波束；

所述接收天线用于接收反射波束；

所述可重构阻抗匹配层用于根据所述阻抗控制器发送的控制参数调节其自身的特征阻抗。

进一步地，所述可重构阻抗匹配层由若干个可控阻抗超材料单元组成；

每一可控阻抗超材料单元均包括绝缘介质基底、金属刻蚀层和具有电调节功能的可控元件。

进一步地，所述绝缘介质基底的材料为玻璃纤维、陶瓷或聚四氟乙烯。

进一步地，所述金属刻蚀层为铜刻蚀层。

第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器，以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述第一方面提供的方法的步骤。

第五方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述第一方面提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法及装置，针对探地雷达工作时的地表强反射，通过监测环境的实时阻抗，并动态调节匹配层的特征阻抗，实现与探测环境的自适应阻抗匹配，减小地表强反射回波，并实现了最小化能量反射及最大化能量传输，增加馈入地下的有效探测能量，提高探测深度和信噪比。

附图说明

图1为本发明实施例提供的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法示意图；

图2为本发明实施例提供的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配的逻辑流程图；

图3为本发明实施例提供的应用于探地雷达的阻抗控制器的示意图；

图4为本发明实施例提供的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配系统的示意图；

图5为本发明实施例提供的可重构阻抗匹配层的示意图；

图6为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法，其执行主体为应用于探地雷达的阻抗控制器。该方法包括：

步骤S101、根据反射波束与测试波束的幅值比确定当前探测环境的等效阻抗；

步骤S102、若判断获知预设的码表中包含所述等效阻抗，则根据所述等效阻抗匹配其对应的控制参数；所述码表存储有若干种场景下的特征阻抗及其对应的控制参数；

步骤S103、将所述控制参数发送至可重构阻抗匹配层，以使其调节自身的特征阻抗。

具体来说，图2为本发明实施例提供的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配的逻辑流程图，如图2所示，首先，系统将阻抗匹配层设置为初始状态，阻抗为z₀；发射天线发射测试波束，根据反射波束与测试波束的幅值比R＝E_ref/E_in＝(z_eff-z₀)/(z_eff+z₀)及匹配层的初始特征阻抗z₀，可以获得探测环境此时的等效阻抗z_eff。在阻抗控制器的码表中可以预存一些典型地下介质(比如，干沙地、湿沙地、水泥地、干土壤、湿土壤等)的特征阻抗，以及对应的控制电路参数(比如，变容二极管反向电压、超材料单元结构的幅频特性和相频特性等)。若码表中有此时探测环境的信息，可通过遍历码表的形式获取系统所需的控制电路参数，进而控制阻抗匹配层的硬件电路、调节其特征阻抗。然后，发射天线再次发射测试波束，确认反射幅值比R小于用户预设的门限值(为一个用户可以接受的数值，比如，10％、20％等)之后，探地雷达即可开始进行探测。

如果码表中没有正在探测的环境阻抗及相应的控制电路信息，可在保证辐射最大化、波束方向不变的前提下，优化阻抗匹配层的控制。其优化方法主要是研究调节控制电路的过程中特征阻抗在史密斯圆图上的变化规律，通过迭代最小化进行优化，逼近目标阻抗。在优化获得可匹配的阻抗及电路信息后，控制系统将得到的电路参数及对应特征阻抗存入码表，并控制匹配层调节阻抗，随后开始探测。

本发明实施例提供的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法，针对探地雷达探测过程中的地表强反射，通过监测环境的实时阻抗，并动态调节匹配层的特征阻抗，实现与探测环境的自适应阻抗匹配，减小地表强反射回波，并实现了最小化能量反射及最大化能量传输，增加馈入地下的有效探测能量，提高探测深度和信噪比。

基于上述任一实施例，图3为本发明实施例提供的应用于探地雷达的阻抗控制器的示意图，如图3所示，本发明实施例提供一种应用于探地雷达的阻抗控制器，包括确定模块301、匹配模块302和发送模块303，其中：

确定模块301用于根据反射波束与测试波束的幅值比确定当前探测环境的等效阻抗；匹配模块302用于若判断获知预设的码表中包含所述等效阻抗，则根据所述等效阻抗匹配其对应的控制参数；所述码表存储有若干种场景下的特征阻抗及其对应的控制参数；发送模块303用于将所述控制参数发送至可重构阻抗匹配层，以使其调节自身的特征阻抗。

具体来说，本发明实施例提供一种应用于探地雷达的阻抗控制器，用于执行上述相应实施例中的方法，通过本实施例提供的装置执行上述相应实施例中所述方法的具体步骤与上述相应实施例相同，此处不再赘述。

本发明实施例提供的应用于探地雷达的阻抗控制器，针对探地雷达探测过程中的地表强反射，通过监测环境的实时阻抗，并动态调节匹配层的特征阻抗，实现与探测环境的自适应阻抗匹配，减小地表强反射回波，并实现了最小化能量反射及最大化能量传输，增加馈入地下的有效探测能量，提高探测深度和信噪比。

基于上述任一实施例，图4为本发明实施例提供的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配系统的示意图，如图4所示，本发明实施例提供一种应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配系统，包括发射天线1、接收天线2、可重构阻抗匹配层3和阻抗控制器4；

所述发射天线用于发射测试波束；

所述接收天线用于接收反射波束；

具体来说，本发明实施例提供的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配系统包括发射天线、接收天线、可重构匹配层以及阻抗控制器四部分。如图4所示，5为地下探测环境，6为地下异常体。

图5为本发明实施例提供的可重构阻抗匹配层的示意图，如图5所示，可重构阻抗匹配层由若干个可控阻抗超材料单元组成；每一可控阻抗超材料单元均包括绝缘介质基底31、金属刻蚀层32和具有电调节功能的可控元件33。

可重构阻抗匹配层采用可控阻抗超材料来实现。可控阻抗超材料的单元结构采用绝缘介质基底、特殊金属刻蚀结构以及具有电调节功能的可控元件。通过超材料的单元尺寸、特殊金属结构的选定，可以人为实现具有某一特殊功能的基本电磁特性(比如高阻材料、低阻材料等)。通过外加控制电路的调节，可控元件可以使匹配层的特征阻抗在某一个范围内可控。

在本发明的优选实施方式中，在制作工艺上，可重构阻抗匹配层可以通过印制电路板技术实现，在绝缘介质基底材料上刻蚀特殊结构的金属。常见的介质基底材料有FR4、Rogers、F4B等，金属一般为铜。因此，可重构阻抗匹配层的造价与常见的电路板价格持平，性价比高，研制成功后适合大规模的生产应用。

在本发明的优选实施方式中，阻抗匹配层的设计还应该满足以下要求：薄、可调、全透射、不影响发射天线的辐射性能，并且可以作为天线封装而必须耐磨(可以采用耐磨材料作为基底介质，在介质的内侧面开展阻抗可调设计)。

在本发明的优选实施方式中，由于阻抗匹配层是二维平面结构，相对地面是均匀的，只需要同时调节每个单元结构的控制电路参数，使用的控制电路相对简单。

在本发明的优选实施方式中，控制器件可以采用PIN二极管、微机电系统、变容二极管等。控制器可以使用现场可编程门阵列(FPGA)或其他类型的微处理器。

本发明的探地雷达可重构阻抗匹配系统，具有以下有益效果：①具有阻抗匹配特性，若去掉阻抗匹配层直接进行探测，其地表反射强，探测深度较浅、能量浪费多、信噪比不高。而本发明的探地雷达可重构地表阻抗匹配系统，可以实现的最小化能量反射及最大化能量传输，增加馈入地下的有效探测能量，提高探测深度和信噪比。②同时，本发明通过监测环境的实时阻抗，并动态调节匹配层的特征阻抗，实现与探测环境的自适应阻抗匹配。本发明的探地雷达可重构阻抗匹配系统能够针对不同的探测环境进行阻抗匹配后的高性能探测，使用范围更广。③本发明所构造的探地雷达可重构阻抗匹配系统，具有特征阻抗动态可调特性及低成本等优势，在探地雷达等领域具有广阔的应用前景，其工作原理与实现方式可以扩展到更高频率的微波和毫米波成像系统。

图6为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图6所示，该电子设备包括：处理器(processor)601、通信接口(Communications Interface)602、存储器(memory)603和通信总线604，其中，处理器601，通信接口602，存储器603通过通信总线604完成相互间的通信。处理器601可以调用存储在存储器603上并可在处理器601上运行的计算机程序，以执行下述步骤：

此外，上述的存储器603中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

进一步地，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述各方法实施例中的步骤，例如包括：

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法，其特征在于，包括：

将所述控制参数发送至可重构阻抗匹配层，以使其调节自身的特征阻抗；

其中，所述根据反射波束与测试波束的幅值比确定当前探测环境的等效阻抗之后，还包括：

若判断获知所述码表中不包含所述等效阻抗，则根据调节控制过程中特征阻抗在史密斯圆图上的变化规律，通过迭代最小化进行优化，逼近目标阻抗，确定新的控制参数；

其中，所述可重构阻抗匹配层由若干个可控阻抗超材料单元组成，且每一可控阻抗超材料单元均包括绝缘介质基底、金属刻蚀层和具有电调节功能的可控元件；

其中，所述确定新的控制参数之后，还包括将特征阻抗和新的控制参数存入所述码表。

2.一种应用于探地雷达的阻抗控制器，其特征在于，包括：

发送模块，用于将所述控制参数发送至可重构阻抗匹配层，以使其调节自身的特征阻抗；

3.一种应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配系统，其特征在于，包括：发射天线、接收天线、可重构阻抗匹配层和权利要求2中所述的阻抗控制器；

所述发射天线用于发射测试波束；

所述接收天线用于接收反射波束；

所述可重构阻抗匹配层用于根据所述阻抗控制器发送的控制参数调节其自身的特征阻抗；

其中，根据反射波束与测试波束的幅值比确定当前探测环境的等效阻抗之后，还包括：

4.根据权利要求3所述的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配系统，其特征在于，所述绝缘介质基底的材料为玻璃纤维、陶瓷或聚四氟乙烯。

5.根据权利要求3所述的应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配系统，其特征在于，所述金属刻蚀层为铜刻蚀层。

6.一种电子设备，包括存储器、处理器，以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1所述应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1所述应用于探地雷达的地表可重构阻抗匹配方法的步骤。