CN112271461B - 一种混合加载的双极化探地雷达阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于探地雷达相关技术领域，其公开了一种混合加载的双极化探地雷达阵列天线，天线包括相互垂直的垂直极化天线组和水平极化天线组以及射频开关，其中：垂直极化天线组包括背部均设有屏蔽腔体的垂直极化发射天线和垂直极化接收天线；水平极化天线组包括背部均设有屏蔽腔体的水平极化发射天线和水平极化接收天线；垂直极化发射天线和水平极化发射天线通过所述射频开关连接；垂直极化接收天线与水平极化接收天线通过射频开关连接。本申请可有效提高现有单极化探地雷达的探测能力，从而获取更多地下异质体信息，并且单次探测可得到两幅雷达图像，大大提高了探测效率。

Description

一种混合加载的双极化探地雷达阵列天线
技术领域
本发明属于探地雷达相关技术领域，更具体地，涉及一种混合加载的双极化探地雷达阵列天线。
背景技术
探地雷达作为一种先进的无损探测技术，其具有探测精度高、适应范围广、携带方便和工作高效等优点，被广泛应用于桥梁检测、路面质量检测、混凝土钢筋直径预测、地下管道检测、树干空洞检测、冰川厚度探测、地下金属与非金属未爆检测、地质裂缝检测及地下污染物监测等。
探地雷达技术起源于二十世纪初，在二十世纪中后期得到了较快的发展。而我国的探地雷达研究起步较晚，前期主要侧重于理论研究和单元技术开发，在二十世纪七十年代初期我国开始研制探地雷达样机，我国及时参考国外先进设备的设计，经过几十年的努力研发出一系列国产探地雷达样机。探地雷达天线作为探地雷达系统的一个关键组成部分，其性能的好坏直接影响到探测精度和探测深度。探地雷达天线由发射天线和接收天线组成，发射天线将高频电信号转换为高频电磁波辐射到地下媒质中，当电磁波在媒质中传播时遇到异质体会发生散射，接收天线接收异质体的部分散射回波，对其进行雷达成像从而实现地下探测。
现有探地雷达天线形式主要有平面蝶形天线、喇叭天线、Vivaldi天线等，其中应用最为广泛的是平面蝶形天线，因为其具有体积小，制作简单，便于携带等优点。目前市面上所使用的探地雷达天线主要为单一加载形式的单极化平面蝶形天线，存在低频时域振铃和探测方位不全面的问题，极大的限制了雷达天线的探测精度和应用范围。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种混合加载的双极化探地雷达阵列天线，本申请采用相互垂直的垂直极化天线组和水平极化天线组，使得单次扫描时可以得到垂直极化和水平极化两幅雷达图像，提高了探测效率和探测范围；同时，本申请采用分布式电阻加载和屏蔽腔加载两种加载方式，特殊设计的分布式电阻加载几乎不影响天线辐射效率，同时可消除天线壁面产生的高频驻波反射，采用屏蔽腔消除低频反射成分，因此可以有效减少驻波反射，大大扩展天线的工作带宽；再者，本申请中的发射天线和接收天线间距可调，可通过调节两者间距减少直耦波和地面反射波的干扰，提高系统的接收机灵敏度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种混合加载的双极化探地雷达阵列天线，其特征在于，所述天线包括相互垂直的垂直极化天线组和水平极化天线组以及射频开关，其中：所述垂直极化天线组包括背部均设有屏蔽腔体的垂直极化发射天线和垂直极化接收天线；所述水平极化天线组包括背部均设有屏蔽腔体的水平极化发射天线和水平极化接收天线；所述垂直极化发射天线和水平极化发射天线通过所述射频开关连接；所述垂直极化接收天线与水平极化接收天线通过所述射频开关连接。
优选地，所述垂直极化发射天线、垂直极化接收天线、水平极化发射天线以及水平极化接收天线均包括天线巴伦，输入端与所述天线巴伦平衡端连接的蝶形天线以及输出端与所述天线巴伦非平衡端连接的同轴馈电。
优选地，所述蝶形天线包括顶角相对的两三角形金属箔，所述三角形金属箔的一边连接多个间隔的小矩形金属箔，每一所述小矩形金属箔上均设有多个间隔的贴片电阻。
优选地，所述多个间隔的小矩形金属箔相互平行且相邻两小矩形金属箔的距离均相等。
优选地，所述屏蔽腔体内设有吸波材料。
优选地，所述垂直极化发射天线、垂直极化接收天线、水平极化发射天线以及水平极化接收天线通过金属片与所述屏蔽腔体连接。
优选地，所述垂直极化发射天线和垂直极化接收天线以及所述水平极化发射天线和水平极化接收天线之间的间距为5～30cm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的混合加载的双极化探地雷达阵列天线至少具有如下有益效果：
1.本申请采用相互垂直的垂直极化天线组和水平极化天线组，组成双极化阵列天线，可以实现单次扫描同时得到垂直极化与水平极化两幅雷达图像，避免了现有单极化蝶形天线低频时域振铃和探测方位不全面的技术问题，提高了探测效率以及探测范围；
2.现有的探地雷达平面蝶形天线大多采用集总电阻加载方式，此加载方式只能使天线中部分电流成行波分布，对整个天线的电流分布改善有限，而本申请采用分布式电阻加载方式，对天线进行整体加载，在前端的三角形壁面部分，天线的特征阻抗为定值，因此不会产生反射驻波，天线壁后端设置为矩形壁面，可以有效的消除天线壁面产生的高频驻波反射。对于分布式电阻加载方式无法消除的低频反射部分，通过在天线上设置屏蔽腔加载方式，有效消除天线末端的低频反射，因此，采用分布式电阻加载与屏蔽腔加载的组合方式可以有效地减少驻波反射，从而大大扩展了天线的工作带宽；
3.本申请中垂直极化发射天线、垂直极化接收天线、水平极化发射天线、水平极化接收天线均相互独立，不会通过屏蔽腔体形成电磁干扰；
4.本申请的屏蔽腔为多个相互独立的方式，其内部填充有吸波材料，与传统的一体式屏蔽腔相比，本申请中的各天线相互独立间距任意可调，由于接收天线和发射天线的间距对直耦波和地面反射的影响较大，对地下异质体的散射波影响很小，因此灵活调整天线间距，可大大减少直耦波和地面反射波的幅值，从而提高系统的接收机灵敏度。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的混合加载的双极化探地雷达阵列天线的结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的单元天线的平面结构示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的分布式电阻加载和屏蔽腔加载的VSWR实测结果图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的单元天线的E面方向图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的单元天线的H面方向图；
图6示意性示出了根据本公开实施例的不同天线间距的A-Scan波形图；
图7A示意性示出了根据本公开实施例的垂直极化时得到的B-Scan图；
图7B示意性示出了根据本公开实施例的水平极化时得到的B-Scan图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-垂直极化发射天线，2-垂直极化接收天线，3-水平极化发射天线，4-水平极化接收天线，5-屏蔽腔体，6-吸波材料，7，8-射频开关，9-同轴馈电，10-天线巴伦，11-第一组贴片加载电阻，12-第二组贴片加载电阻，13-第三组贴片加载电阻，14-第四组贴片加载电阻，15-第五组贴片加载电阻，16-第六组贴片加载电阻，17-第七组贴片加载电阻，18-第八组贴片加载电阻，19-第九组贴片加载电阻，20-第十组贴片加载电阻，21-第十一组贴片加载电阻，22-金属片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种混合加载的双极化探地雷达阵列天线，所述天线包括相互垂直的垂直极化天线组和水平极化天线组以及射频开关7，8，水平极化天线组可由垂直极化天线组旋转90°得到，具体结构如下。
所述垂直极化天线组包括垂直极化发射天线1和垂直极化接收天线2。所述水平极化天线组包括水平极化发射天线3和水平极化接收天线4。垂直极化发射天线1、垂直极化接收天线2、水平极化发射天线3和水平极化接收天线4的背部均通过金属块连接有屏蔽腔体5。该屏蔽腔体5为金属材料，其内设置有吸波材料6，例如，可以为泡沫吸波材料。所述垂直极化发射天线1和水平极化发射天线3通过所述射频开关7连接；所述垂直极化接收天线2与水平极化接收天线4通过所述射频开关8连接，系统工作时可通过分时切换射频开关7，8的输出通道，实现不同极化方向的数据采集。工作时，射频脉冲信号通过射频开关7的输入端馈入雷达发射天线，通过控制射频开关7的输出通道，将信号分时传输给所述垂直极化发射天线和水平极化发射天线，然后根据发射天线通道的选择，控制射频开关8的两个输入通道，使得雷达散射回波分时进入垂直极化接收天线和水平极化接收天线，从而实现不同极化方向的雷达回波采集，因此本申请可通过单次扫描得到垂直极化和水平极化两幅雷达图像，从而实现探地雷达的实施双极化探测。
所述垂直极化发射天线1、垂直极化接收天线2、水平极化发射天线3以及水平极化接收天线4均包括天线巴伦10，输入端与所述天线巴伦10平衡端连接的蝶形天线以及输出端与所述天线巴伦10非平衡端连接的同轴馈电9。由于同轴馈电为非平衡传输线，而平面蝶形天线为偶极平衡型天线，因此为了完成匹配需要通过天线巴伦将非平衡端转为平衡端，以保证天线有效辐射。
蝶形天线又经过特殊的设计，所述蝶形天线包括顶角相对的两三角形金属箔，所述三角形金属箔的一边连接有矩形金属箔，该矩形金属箔被分割成多个小矩形金属箔，每一所述小矩形金属箔上均设有多个间隔的贴片电阻。本公开实施例中，接收天线和发射天线的工作中心频率为400MHz，长度为360mm，宽度为70mm，介质基板厚度约为1.6mm，材料为FR4。该蝶形天线中靠近馈源端为渐变三角形金属箔，天线壁后端为矩形金属箔，与原始三角形蝶形天线相比，该设计可以在不影响辐射效率的前提下缩小天线尺寸，该矩形金属箔部分被分割成了11块小矩形，每块小矩形宽度为8mm，各小矩形间距为2mm，每一小矩形上用15枚贴片电阻进行连接实现分布式电阻加载，以上金属箔优选为铜箔。
以上结构形成分布电阻加载方式，如图2所示，包括第一组贴片加载电阻11，第二组贴片加载电阻12，第三组贴片加载电阻13，第四组贴片加载电阻14，第五组贴片加载电阻15，第六组贴片加载电阻16，第七组贴片加载电阻17，第八组贴片加载电阻18，第九组贴片加载电阻19，第十组贴片加载电阻20，第十一组贴片加载电阻21。根据Wu-King天线电阻加载理论，每一组电阻加载的并联阻值可由以下公式计算得来：
Figure BDA0002746060850000061
其中，ψ为无量纲常数，一般在6～12之间，l为电阻加载的位置到天线馈电点的距离，R(l)为l处加载的并联电阻阻值，a为为天线壁末端到馈源点的距离。根据以上公式可知，加载电阻的阻值随着加载位置与天线馈源点的距离的增加而增加。综合考虑天线的辐射效率与时域振铃两个因素，通过仿真优化得出从第一组到第十一组并联电阻阻值分别为11Ω、12Ω、13Ω、15Ω、17Ω、20Ω、24Ω、30Ω、40Ω、60Ω、120Ω，天线的另一只壁面的贴片电阻与以上阻值一一对应相等，在此不再赘述。通过该分布式加载方式，使得发射信号中的高频电流在经过天线壁到达天线末端时几乎为零，天线壁上高频电流成行波分布，可有效的减少天线的高频时域振铃同时保持天线有较高的辐射效率，另外，发射电路所产生的脉冲信号经过天线巴伦馈入天线，由于该脉冲信号近似高斯脉冲，其频谱包含大量低频分量，电阻分布式加载无法消除低频信号在天线末端产生的时域振铃，因此，本申请采用末端屏蔽腔加载的方式来吸收低频信号，即通过在垂直极化发射天线1、垂直极化接收天线2、水平极化发射天线3以及水平极化接收天线4的末端分别焊接两个金属片22，如铜片，铜片的另一端通过螺钉连接在天线屏蔽腔5上，各个天线的屏蔽腔5相互独立，所以隔绝了天线之间通过屏蔽腔5而导致的信号串扰。
如图3所示，为本申请所述混合加载天线单元的VSWR实际测试曲线图，从图中可以看出，本申请中天线单元经过分布式电阻加载后在O.13GHz～2GHz范围内VSWR＜2，经过屏蔽腔加载后，低频反射得到有效吸收，同时不影响高频性能，由此可知本发明所述混合加载平面蝶形天线可非常好的满足探地雷达天线的性能要求。
图4为本申请单元天线的E面方向图，图5为本申请单元天线的H面方向图，由图可知受屏蔽腔体内吸波材料和金属腔体反射的影响，天线辐射能量大部分向地下辐射，H面的辐射范围更宽呈半圆形，E面的辐射角较窄呈半哑铃型，因此，将天线单元水平旋转90°改变天线的极化方向，将使其能量的传输方向发生变化，具体来讲，当进行管道探测时，目前的商业探地雷达天线的极化方向与地下管道的长轴方向平行与入射面垂直，称为垂直极化，这样将会有大部分能量从管道散射回接收天线从而实现管道探测，但是，当遇到地下含有多层目标时，例如，需要探测混凝土钢筋层下面的管道时，由于之前的垂直极化方式导致在此种情形下探测过程中大部分能量被浅层钢筋反射，因此无法清晰地探测出钢筋层下面的管道，因此，本申请采用水平极化的方式让更多能量穿透钢筋层对地下管道进行探测，可有效提高探测雷达的探测深度。
本申请中各个天线单元相互独立，可任意调整收发天线之间的间距，图6为不同天线间距得到的实测雷达A-Scan波形，由图不难看出，选择合适的间距将大大减小收发天线之间的直耦波以及地面反射波，同时对地下异质体的散射波幅值几乎不产生影响，从而提高系统的接收机灵敏度。根据不同测试环境以及天线的工作频率，结合接收到的A-Scan波形，可灵活选择天线间距以达到最佳探测效果，本发明最终调节的天线间距为边距10cm。
图7A和图7B为本发明两种极化方式下得到的两幅仿真雷达B-Scan图，其中图7A为垂直极化得到的B-Scan图，上层钢筋的雷达反射波很强，导致下层管道的反射波无法清晰呈现；图7B为水平极化得到的B-Scan图，其中下层管道的反射双曲线清晰可见。
综上所述，本申请所述的混合加载的双极化阵列天线具有超宽的工作频带，可有效提高现有探地雷达的探测能力，从而获取更多地下异质体信息，并且单次探测可得到两幅雷达图像，大大提高了探测效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合加载的双极化探地雷达阵列天线，其特征在于，所述天线包括相互垂直的垂直极化天线组和水平极化天线组以及射频开关(7,8)，其中：
所述垂直极化天线组包括背部均设有屏蔽腔体(5)的垂直极化发射天线(1)和垂直极化接收天线(2)；
所述水平极化天线组包括背部均设有屏蔽腔体(5)的水平极化发射天线(3)和水平极化接收天线(4)；
所述垂直极化发射天线(1)和水平极化发射天线(3)通过所述射频开关(7)连接；所述垂直极化接收天线(2)与水平极化接收天线(4)通过所述射频开关(8)连接；
所述垂直极化发射天线(1)、垂直极化接收天线(2)、水平极化发射天线(3)以及水平极化接收天线(4)均包括天线巴伦(10)，输入端与所述天线巴伦(10)平衡端连接的蝶形天线以及输出端与所述天线巴伦(10)非平衡端连接的同轴馈电(9)。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述蝶形天线包括顶角相对的两三角形金属箔，所述三角形金属箔的一边连接多个间隔的小矩形金属箔，每一所述小矩形金属箔上均设有多个间隔的贴片电阻。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述多个间隔的小矩形金属箔相互平行且相邻两小矩形金属箔的距离均相等。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述屏蔽腔体(5)为金属材料，所述屏蔽腔体(5)内设有吸波材料。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述垂直极化发射天线(1)、垂直极化接收天线(2)、水平极化发射天线(3)以及水平极化接收天线(4)通过金属片与所述屏蔽腔体(5)连接。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述垂直极化发射天线(1)和垂直极化接收天线(2)以及所述水平极化发射天线(3)和水平极化接收天线(4)之间的间距为5～30cm。
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