CN112578339A - 一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线及其控制方法 - Google Patents

一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线及其控制方法，包括：电绝缘板基、固定于所述电绝缘板基的雷达天线阵列、天线开关组件以及雷达主机；雷达天线阵列包括6行雷达天线组，分别为：第1行雷达天线组,第2行雷达天线组,...,第6行雷达天线组；并设定各雷达天线组的极化方向。优点为：只需要对各个雷达天线的开关进行控制，选择与极化模式匹配的对应的两组雷达天线组，再对选定的雷达天线组进行状态切换，即可实现每种测量模式下每种极化模式的丰富的测量结果，因此，本发明将3D测量与偶极子天线多极化分量有效结合，实现了一次测量即可得到丰富的测量数据的效果，提高测量结果的精度和广度。

Description

一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线及其控制方法
技术领域
本发明属于探地雷达天线系统技术领域，具体涉及一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线及其控制方法。
背景技术
探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一种高效、无损，可以对目标介质实现远程探测的地球物理装置。其工作原理为：GPR利用宽频带天线发射出高频电磁脉冲，高频电磁脉冲在地下介质中经过反射、折射以及吸收作用之后，所测量到的接收信号可实现对探测区域的电性参数成像，并主要用于探测分析地下介质结构、物性参数的改变以及孔隙或者裂缝的出现。由于其具有精度高、效率快、连续无损、实时成像等优点，GPR目前被广泛应用于工程勘察、未爆炸物(UXO)探测、环境与水文地质、农业以及考古学等领域。
一般来说，GPR激励源的中心频率范围是20～1000MHz，因此，对于一般地下介质，其相对应的波长范围是5～0.1m。由于其高频的特点，GPR探测信号的成像分辨率优于电磁感应法(EMI)或者激发极化法(IP)，并且相对于这两种方法只能对电阻率/电导率进行成像之外，GPR还可以实现对介电常数的成像，这对于探测地下介质中的介电常数差异物质，特别是液体和气体有着十分重要的参考价值。
GPR信号的发射和接收都是通过雷达天线实现的，天线的性能将会直接影响探测效果。由于GPR对于信号宽频带的要求，平面蝶形天线(偶极子天线)是目前应用最为广泛的天线类型。但是目前大部分的GPR均采用单一收发天线结构，既：将一对偶极子电线分别作为发射和接收天线进行屏蔽封装。我国市场上主流的商业探地雷达包括美国GSSI(地球物理测量系统公司)的SIR系列，加拿大SSI(Sensor and Software公司)的pulseEKKO系列，瑞典Mala公司的GX系列以及IMPLUSE公司的CO系列等，均是采用这种设计。
此种测量方式，没有考虑到偶极子天线的极化模式对测量结果的影响，因此，精度有限。现有的GPR天线为了能够得到更多的极化信号测量数据，普遍选择放弃传统的偶极子天线工艺，例如，改用螺旋天线(CN 104280719)或Vivaldi天线(CN 101976767)等，该类天线设计制作工艺复杂，且尺寸较大，仪器容易损坏，因此限制了该类GPR的使用范围。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线及其控制方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线，包括：电绝缘板基、固定于所述电绝缘板基的雷达天线阵列、天线开关组件以及雷达主机；
其中，所述雷达天线阵列由多个平面蝶形天线通过组合排列形成，具体的，在电绝缘板基的表面建立xy坐标系，所述雷达天线阵列包括6行雷达天线组，分别为：第1行雷达天线组,第2行雷达天线组,...,第6行雷达天线组；
其中：
第1行雷达天线组包括n1个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，分别表示为：第1-1平面蝶形天线R(11)，第1-2平面蝶形天线R(12),...,第1-n1平面蝶形天线R(1n1)；
第2行雷达天线组包括n2个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，分别表示为：第2-1平面蝶形天线R(21)，第2-2平面蝶形天线R(22),...,第2-n2平面蝶形天线R(2n2)；其中，n2等于n1；并且，第2-1平面蝶形天线R(21)与第1-1平面蝶形天线R(11)的极化方向共轴线设置；第2-2平面蝶形天线R(22)与第1-2平面蝶形天线R(12)的极化方向共轴线设置；依此类推，第2-n2平面蝶形天线R(2n2)与第1-n1平面蝶形天线R(1n1)的极化方向共轴线设置；
第3行雷达天线组包括n3个等间距排列、极化方向均为y负方向的平面蝶形天线，分别表示为：第3-1平面蝶形天线R(31)，第3-2平面蝶形天线R(32),...,第3-n3平面蝶形天线R(3n3)；其中，n3小于n2，对于任意一个第3-i平面蝶形天线R(3i)，其中，i＝1,2,...,n3，均对应一个第2-j平面蝶形天线R(2j)，其中，j＝1,2,...,n2，使第2-j平面蝶形天线R(2j)的极化方向，正好穿过第3-i平面蝶形天线R(3i)的中心点；
第4行雷达天线组包括n4个等间距排列、极化方向均为y负方向的平面蝶形天线，分别表示为：第4-1平面蝶形天线R(41)，第4-2平面蝶形天线R(42),...,第4-n4平面蝶形天线R(4n4)；其中，n4＝n3-1；第4行雷达天线组与第3行雷达天线组交错布置，对于任意第4-k平面蝶形天线R(4k),其中，k＝1,2,...,n4，第4-k平面蝶形天线R(4k)的中心点到第3-k平面蝶形天线R(3k)中心点的距离，与第4-k平面蝶形天线R(4k)的中心点到第3-(k+1)平面蝶形天线R(3(k+1))中心点的距离相等；
第5行雷达天线组包括n2个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，第5行雷达天线组的各天线布置方式，与第2行雷达天线组的各天线布置方式相同；
第6行雷达天线组包括n1个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，第6行雷达天线组的各天线布置方式，与第1行雷达天线组的各天线布置方式相同；
所述雷达主机包括雷达信号发射单元、雷达信号接收单元和天线开关控制单元；
所述雷达天线阵列中的每个平面蝶形天线，均连接一个天线开关；该天线开关的动触点与平面蝶形天线的天线主体连接；该天线开关的静触点连接到雷达信号接收单元；该天线开关的开关切换动作通过所述天线开关控制单元控制；该天线开关的动触点同时与所述雷达信号发射单元连接。
本发明还提供一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，将多极化模式组合的阵列式探地雷达天线安装于探测位置的地表，建立xyz三维坐标系；其中，x轴和y轴位于地表表面，垂直于地表的方向为z轴方向；
步骤2，雷达主机选择测量模式；其中，所述测量模式包括共偏移距测量模式、共中心点测量模式和多通道测量模式；
步骤3，在当前测量模式下，雷达主机对雷达天线阵列中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，其中，平面蝶形天线具有三种状态：无效状态、发射状态和接收状态，进而分别测量得到探测位置在E11极化模式下的地质参数测量结果D11，在E22极化模式下的地质参数测量结果D22，在E12极化模式下的地质参数测量结果D12以及在E21极化模式下的地质参数测量结果D21；
其中，对于任意平面蝶形天线C0，其发射状态的控制方法为：平面蝶形天线C0的天线开关为天线开关B0；天线开关控制单元控制天线开关B0的动触点和静触点分离，同时，雷达信号发射单元通过动触点，向平面蝶形天线C0的天线主体发射雷达脉冲信号，该雷达脉冲信号向地下介质发射传播，使平面蝶形天线C0为发射状态；
其接收状态的控制方法为：天线开关控制单元控制天线开关B0的动触点和静触点导通，同时，雷达信号发射单元不向动触点发射雷达脉冲信号，因此，平面蝶形天线C0的天线主体采集雷达脉冲信号的反射波，并通过天线开关B0的动触点和静触点后，传输到雷达信号接收单元，使平面蝶形天线C0为接收状态；
其无效状态的控制方法为：天线开关控制单元控制天线开关B0的动触点和静触点分离，同时，雷达信号发射单元不向动触点发射雷达脉冲信号，使平面蝶形天线C0为无效状态；
各种极化模式下的地质参数测量结果，通过以下方法实现：
步骤3.1，测量探测位置在E11极化模式下的地质参数测量结果D11，方法为：
步骤3.1.1，雷达主机控制第1行雷达天线组、第2行雷达天线组、第5行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.1.2，雷达主机对第3行雷达天线组和第4行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第3行雷达天线组和第4行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E11极化模式下的地质参数测量结果D11；
步骤3.2，测量探测位置在E22极化模式下的地质参数测量结果D22，方法为：
步骤3.2.1，雷达主机控制第3行雷达天线组、第4行雷达天线组、第5行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.2.2，雷达主机对第1行雷达天线组和第2行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第1行雷达天线组和第2行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E22极化模式下的地质参数测量结果D22；
步骤3.3，测量探测位置在E12极化模式下的地质参数测量结果D12，方法为：
步骤3.3.1，雷达主机控制第1行雷达天线组、第4行雷达天线组、第5行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.3.2，雷达主机对第2行雷达天线组和第3行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第2行雷达天线组和第3行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E12极化模式下的地质参数测量结果D12；
步骤3.4，测量探测位置在E21极化模式下的地质参数测量结果D21，方法为：
步骤3.4.1，雷达主机控制第1行雷达天线组、第2行雷达天线组、第3行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.4.2，雷达主机对第4行雷达天线组和第5行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第4行雷达天线组和第5行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E21极化模式下的地质参数测量结果D21；
步骤4，雷达主机对地质参数测量结果D11、地质参数测量结果D22、地质参数测量结果D12和地质参数测量结果D21进行综合加权计算，得到探测位置的地质参数总测量结果。
优选的，当测量模式选择为多通道测量模式时，步骤3.1.2具体为：
1)首先使第3-1平面蝶形天线R(31)为发射状态，第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均为接收状态，雷达信号发射单元通过第3-1平面蝶形天线R(31)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均接收并记录雷达脉冲信号的反射波，由此形成第1通道测量结果；
2)首先使第3-2平面蝶形天线R(32)为发射状态，第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均为接收状态，雷达信号发射单元通过第3-2平面蝶形天线R(32)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均接收并记录雷达脉冲信号的反射波，由此形成第2通道测量结果；
依此类推
直到使第3-n3平面蝶形天线R(3n3)为发射状态，第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均为接收状态，雷达信号发射单元通过第3-n3平面蝶形天线R(3n3)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均接收并记录雷达脉冲信号的反射波，由此形成第n3通道测量结果；
3)对第1通道测量结果，第2通道测量结果,...,第n3通道测量结果进行综合计算，得到多通道测量模式时，E11极化模式下的地质参数测量结果D11。
优选的，当测量模式选择为共偏移距测量模式时，步骤3.1.2具体为：
1)首先使第3-1平面蝶形天线R(31)为发射状态，第4-1平面蝶形天线R(41)为接收状态，因此，第3-1平面蝶形天线R(31)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4-1平面蝶形天线R(41)接收并记录雷达脉冲信号的反射波；
2)然后，使第4-1平面蝶形天线R(41)为发射状态，第3-2平面蝶形天线R(32)为接收状态，因此，第4-1平面蝶形天线R(41)向地下介质发射雷达脉冲信号；第3-2平面蝶形天线R(32)接收并记录雷达脉冲信号的反射波；
依此类推，按序推进，实现共偏移距测量模式时，E11极化模式下的地质参数测量结果D11。
5、根据权利要求2所述的多极化模式组合的阵列式探地雷达天线的控制方法，其特征在于，当测量模式选择为共中心点测量模式时，步骤3.1.2具体为：
1)按从两边向中心的方向，首先使第3-1平面蝶形天线R(31)为发射状态，第3-n3平面蝶形天线R(3n3)为接收状态，实现地下介质参数的一次测量；
然后，使第3-2平面蝶形天线R(32)为发射状态，第3-(n3-1)平面蝶形天线R(3(n3-1))为接收状态，实现地下介质参数的一次测量；依此类推，实现对第3行雷达天线组的按序控制；
2)再同样采用从两边向中心的方向，对第4行雷达天线组的各个平面蝶形天线进行控制，实现共中心点测量模式下，E11极化模式下的地质参数测量结果D11。
本发明提供的一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线及其控制方法具有以下优点：
在将阵列式探地雷达天线固定于探测区域后，不需要再对阵列式探地雷达天线的位置进行改变，只需要对各个雷达天线的开关进行控制，选择与极化模式匹配的对应的两组雷达天线组，再对选定的雷达天线组进行状态切换，即：控制平面蝶形天线在发射天线和接收天线之间来回自由转换，即可实现每种测量模式下每种极化模式的丰富的测量结果，因此，本发明将3D测量与偶极子天线多极化分量有效结合，实现了一次测量即可得到丰富的测量数据的效果，提高测量结果的精度和广度。
附图说明
图1为本发明提供的多极化模式组合的阵列式探地雷达天线的平面布置方式示意图；
图2为本发明提供的多极化模式组合的阵列式探地雷达天线的测量场景示意图；
图3为本发明提供的平面蝶形天线的控制原理图；
图4为本发明提供的多通道测量模式的原理图；
图5为本发明提供的共偏移距测量模式的原理图；
图6为本发明提供的共中心点测量模式的原理图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线及其控制方法，采用多组平面蝶形天线并进行水平、垂直交错排列，形成雷达天线阵列，可以实现一次测量即能获得4种极化模式的测量数据的效果，通过对4种极化模式的测量数据进行加权综合计算，能够提高测量数据的精度；该设计方案简单有效、保留了传统偶极子天线的优势，同时阵列式分布还可以提供额外的测量方式组合，例如，共偏移距测量模式、共中心点测量模式和多通道测量模式，再结合多极化模式测量数据，可以大大增加GPR得到的地下结构有效信息，通过数据处理后可以实现地下结构的精细三维成像。
参考图1，为本发明提供的一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线的布置方式图，如图2，为其一种使用场景图，多极化模式组合的阵列式探地雷达天线，包括：电绝缘板基2、固定于所述电绝缘板基的雷达天线阵列1、天线开关组件以及雷达主机；
其中，所述雷达天线阵列由多个平面蝶形天线通过组合排列形成，具体的，参考图1，在电绝缘板基的表面建立xy坐标系，所述雷达天线阵列包括6行雷达天线组，分别为：第1行雷达天线组,第2行雷达天线组,...,第6行雷达天线组；
其中：
第1行雷达天线组包括n1个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，分别表示为：第1-1平面蝶形天线R(11)，第1-2平面蝶形天线R(12),...,第1-n1平面蝶形天线R(1n1)；
第2行雷达天线组包括n2个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，分别表示为：第2-1平面蝶形天线R(21)，第2-2平面蝶形天线R(22),...,第2-n2平面蝶形天线R(2n2)；其中，n2等于n1；并且，第2-1平面蝶形天线R(21)与第1-1平面蝶形天线R(11)的极化方向共轴线设置；第2-2平面蝶形天线R(22)与第1-2平面蝶形天线R(12)的极化方向共轴线设置；依此类推，第2-n2平面蝶形天线R(2n2)与第1-n1平面蝶形天线R(1n1)的极化方向共轴线设置；
第3行雷达天线组包括n3个等间距排列、极化方向均为y负方向的平面蝶形天线，分别表示为：第3-1平面蝶形天线R(31)，第3-2平面蝶形天线R(32),...,第3-n3平面蝶形天线R(3n3)；其中，n3小于n2，对于任意一个第3-i平面蝶形天线R(3i)，其中，i＝1,2,...,n3，均对应一个第2-j平面蝶形天线R(2j)，其中，j＝1,2,...,n2，使第2-j平面蝶形天线R(2j)的极化方向，正好穿过第3-i平面蝶形天线R(3i)的中心点；
第4行雷达天线组包括n4个等间距排列、极化方向均为y负方向的平面蝶形天线，分别表示为：第4-1平面蝶形天线R(41)，第4-2平面蝶形天线R(42),...,第4-n4平面蝶形天线R(4n4)；其中，n4＝n3-1；第4行雷达天线组与第3行雷达天线组交错布置，对于任意第4-k平面蝶形天线R(4k),其中，k＝1,2,...,n4，第4-k平面蝶形天线R(4k)的中心点到第3-k平面蝶形天线R(3k)中心点的距离，与第4-k平面蝶形天线R(4k)的中心点到第3-(k+1)平面蝶形天线R(3(k+1))中心点的距离相等；
第5行雷达天线组包括n2个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，第5行雷达天线组的各天线布置方式，与第2行雷达天线组的各天线布置方式相同；
第6行雷达天线组包括n1个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，第6行雷达天线组的各天线布置方式，与第1行雷达天线组的各天线布置方式相同；
由此可见，本发明提供的多极化模式组合的阵列式探地雷达天线，共由6行雷达天线组组成，每行雷达天线组的各个雷达天线的极化方向相同，但不同行的雷达天线组的各雷达天线的极化方向并不完全相同，通过选择不同行的雷达天线组，可形成四种极化模式：E11极化模式、E22极化模式、E12极化模式和E21极化模式。
所述雷达主机包括雷达信号发射单元、雷达信号接收单元和天线开关控制单元；
所述雷达天线阵列中的每个平面蝶形天线，均连接一个天线开关；参考图3，3代表一个平面蝶形天线，该天线开关的动触点4与平面蝶形天线的天线主体连接；该天线开关的静触点5连接到雷达信号接收单元；该天线开关的开关切换动作通过所述天线开关控制单元控制；该天线开关的动触点同时与所述雷达信号发射单元连接。
本发明还提供一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，将多极化模式组合的阵列式探地雷达天线安装于探测位置的地表，建立xyz三维坐标系；其中，x轴和y轴位于地表表面，垂直于地表的方向为z轴方向；
步骤2，雷达主机选择测量模式；其中，所述测量模式包括共偏移距测量模式、共中心点测量模式和多通道测量模式；
步骤3，在当前测量模式下，雷达主机对雷达天线阵列中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，其中，平面蝶形天线具有三种状态：无效状态、发射状态和接收状态，进而分别测量得到探测位置在E11极化模式下的地质参数测量结果D11，在E22极化模式下的地质参数测量结果D22，在E12极化模式下的地质参数测量结果D12以及在E21极化模式下的地质参数测量结果D21；
其中，对于任意平面蝶形天线C0，其发射状态的控制方法为：平面蝶形天线C0的天线开关为天线开关B0；天线开关控制单元控制天线开关B0的动触点和静触点分离，同时，雷达信号发射单元通过动触点，向平面蝶形天线C0的天线主体发射雷达脉冲信号，该雷达脉冲信号向地下介质发射传播，使平面蝶形天线C0为发射状态；
其接收状态的控制方法为：天线开关控制单元控制天线开关B0的动触点和静触点导通，同时，雷达信号发射单元不向动触点发射雷达脉冲信号，因此，平面蝶形天线C0的天线主体采集雷达脉冲信号的反射波，并通过天线开关B0的动触点和静触点后，传输到雷达信号接收单元，使平面蝶形天线C0为接收状态；
其无效状态的控制方法为：天线开关控制单元控制天线开关B0的动触点和静触点分离，同时，雷达信号发射单元不向动触点发射雷达脉冲信号，使平面蝶形天线C0为无效状态；
各种极化模式下的地质参数测量结果，通过以下方法实现：
步骤3.1，测量探测位置在E11极化模式下的地质参数测量结果D11，方法为：
步骤3.1.1，E11极化模式是指上下两个平面蝶形天线的极化方向均为y负方向的极化模式；雷达主机控制第1行雷达天线组、第2行雷达天线组、第5行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.1.2，雷达主机对第3行雷达天线组和第4行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第3行雷达天线组和第4行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E11极化模式下的地质参数测量结果D11；
当测量模式选择为多通道测量模式时，参考图4，为其测量模式原理图，步骤3.1.2具体为：
1)首先使第3-1平面蝶形天线R(31)为发射状态，第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均为接收状态，雷达信号发射单元通过第3-1平面蝶形天线R(31)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均接收并记录雷达脉冲信号的反射波，由此形成第1通道测量结果；
2)首先使第3-2平面蝶形天线R(32)为发射状态，第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均为接收状态，雷达信号发射单元通过第3-2平面蝶形天线R(32)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均接收并记录雷达脉冲信号的反射波，由此形成第2通道测量结果；
依此类推
直到使第3-n3平面蝶形天线R(3n3)为发射状态，第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均为接收状态，雷达信号发射单元通过第3-n3平面蝶形天线R(3n3)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均接收并记录雷达脉冲信号的反射波，由此形成第n3通道测量结果；
3)对第1通道测量结果，第2通道测量结果,...,第n3通道测量结果进行综合计算，得到多通道测量模式时，E11极化模式下的地质参数测量结果D11。
当测量模式选择为共偏移距测量模式时，如图5所示，为共偏移距测量模式的原理图，步骤3.1.2具体为：
1)首先使第3-1平面蝶形天线R(31)为发射状态，第4-1平面蝶形天线R(41)为接收状态，因此，第3-1平面蝶形天线R(31)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4-1平面蝶形天线R(41)接收并记录雷达脉冲信号的反射波；
2)然后，使第4-1平面蝶形天线R(41)为发射状态，第3-2平面蝶形天线R(32)为接收状态，因此，第4-1平面蝶形天线R(41)向地下介质发射雷达脉冲信号；第3-2平面蝶形天线R(32)接收并记录雷达脉冲信号的反射波；
依此类推，按序推进，实现共偏移距测量模式时，E11极化模式下的地质参数测量结果D11。
当测量模式选择为共中心点测量模式时，如图6所示，为共中心点测量模式的原理图，步骤3.1.2具体为：
1)按从两边向中心的方向，首先使第3-1平面蝶形天线R(31)为发射状态，第3-n3平面蝶形天线R(3n3)为接收状态，实现地下介质参数的一次测量；
然后，使第3-2平面蝶形天线R(32)为发射状态，第3-(n3-1)平面蝶形天线R(3(n3-1))为接收状态，实现地下介质参数的一次测量；依此类推，实现对第3行雷达天线组的按序控制；
2)再同样采用从两边向中心的方向，对第4行雷达天线组的各个平面蝶形天线进行控制，实现共中心点测量模式下，E11极化模式下的地质参数测量结果D11。
步骤3.2，测量探测位置在E22极化模式下的地质参数测量结果D22，方法为：
步骤3.2.1，E22极化模式是指：上下两个平面蝶形天线的极化方向均为x正方向的极化模式；雷达主机控制第3行雷达天线组、第4行雷达天线组、第5行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.2.2，雷达主机对第1行雷达天线组和第2行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第1行雷达天线组和第2行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E22极化模式下的地质参数测量结果D22；
步骤3.3，测量探测位置在E12极化模式下的地质参数测量结果D12，方法为：
步骤3.3.1，E12极化模式是指：上面的平面蝶形天线的极化方向为x正方向，下面的平面蝶形天线的极化方向为y负方向的极化模式；
雷达主机控制第1行雷达天线组、第4行雷达天线组、第5行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.3.2，雷达主机对第2行雷达天线组和第3行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第2行雷达天线组和第3行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E12极化模式下的地质参数测量结果D12；
步骤3.4，测量探测位置在E21极化模式下的地质参数测量结果D21，方法为：
步骤3.4.1，E21极化模式是指：上面的平面蝶形天线的极化方向为y负方向、下面的平面蝶形天线的极化方向为x正方向的极化模式；
雷达主机控制第1行雷达天线组、第2行雷达天线组、第3行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.4.2，雷达主机对第4行雷达天线组和第5行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第4行雷达天线组和第5行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E21极化模式下的地质参数测量结果D21；
其中，对于步骤3.1，详细描述了共偏移距测量模式、共中心点测量模式和多通道测量模式三种测量模式下，在E11极化模式下的地质参数测量过程；
而步骤3.2，步骤3.3和步骤3.4中，并未对共偏移距测量模式、共中心点测量模式和多通道测量模式三种测量模式进行详细介绍，其原理与步骤3.1相同，因此不再赘述。
步骤4，雷达主机对地质参数测量结果D11、地质参数测量结果D22、地质参数测量结果D12和地质参数测量结果D21进行综合加权计算，得到探测位置的地质参数总测量结果。
本发明提供的一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线及其控制方法，是一种用于地下介质异常体探测以及无损检测的多极化模式组合的阵列式探地雷达天线，具有以下优点：
(1)在将阵列式探地雷达天线固定于探测区域后，不需要再对阵列式探地雷达天线的位置进行改变，只需要对各个雷达天线的开关进行控制，选择与极化模式匹配的对应的两组雷达天线组，再对选定的雷达天线组进行状态切换，即：控制平面蝶形天线在发射天线和接收天线之间来回自由转换，即可实现每种测量模式下每种极化模式的丰富的测量结果，因此，本发明将3D测量与偶极子天线多极化分量有效结合，实现了一次测量即可得到丰富的测量数据的效果，提高测量结果的精度和广度。
(2)通过对测量数据的反演，能及时得到地下多层结构的精细三维成像，从而对基础设计工程的安全和质量给出指导意见，避免事故的发生和可能造成的经济损失。
(3)拓展探地雷达探测方式的灵活性，突破了目前探地雷达的局限性，同时扩大了潜在市场。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多极化模式组合的阵列式探地雷达天线，其特征在于，包括：电绝缘板基、固定于所述电绝缘板基的雷达天线阵列、天线开关组件以及雷达主机；
其中，所述雷达天线阵列由多个平面蝶形天线通过组合排列形成，具体的，在电绝缘板基的表面建立xy坐标系，所述雷达天线阵列包括6行雷达天线组，分别为：第1行雷达天线组,第2行雷达天线组,...,第6行雷达天线组；
其中：
第1行雷达天线组包括n1个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，分别表示为：第1-1平面蝶形天线R(11)，第1-2平面蝶形天线R(12),...,第1-n1平面蝶形天线R(1n1)；
第2行雷达天线组包括n2个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，分别表示为：第2-1平面蝶形天线R(21)，第2-2平面蝶形天线R(22),...,第2-n2平面蝶形天线R(2n2)；其中，n2等于n1；并且，第2-1平面蝶形天线R(21)与第1-1平面蝶形天线R(11)的极化方向共轴线设置；第2-2平面蝶形天线R(22)与第1-2平面蝶形天线R(12)的极化方向共轴线设置；依此类推，第2-n2平面蝶形天线R(2n2)与第1-n1平面蝶形天线R(1n1)的极化方向共轴线设置；
第3行雷达天线组包括n3个等间距排列、极化方向均为y负方向的平面蝶形天线，分别表示为：第3-1平面蝶形天线R(31)，第3-2平面蝶形天线R(32),...,第3-n3平面蝶形天线R(3n3)；其中，n3小于n2，对于任意一个第3-i平面蝶形天线R(3i)，其中，i＝1,2,...,n3，均对应一个第2-j平面蝶形天线R(2j)，其中，j＝1,2,...,n2，使第2-j平面蝶形天线R(2j)的极化方向，正好穿过第3-i平面蝶形天线R(3i)的中心点；
第4行雷达天线组包括n4个等间距排列、极化方向均为y负方向的平面蝶形天线，分别表示为：第4-1平面蝶形天线R(41)，第4-2平面蝶形天线R(42),...,第4-n4平面蝶形天线R(4n4)；其中，n4＝n3-1；第4行雷达天线组与第3行雷达天线组交错布置，对于任意第4-k平面蝶形天线R(4k),其中，k＝1,2,...,n4，第4-k平面蝶形天线R(4k)的中心点到第3-k平面蝶形天线R(3k)中心点的距离，与第4-k平面蝶形天线R(4k)的中心点到第3-(k+1)平面蝶形天线R(3(k+1))中心点的距离相等；
第5行雷达天线组包括n2个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，第5行雷达天线组的各天线布置方式，与第2行雷达天线组的各天线布置方式相同；
第6行雷达天线组包括n1个等间距排列、极化方向均为x正方向的平面蝶形天线，第6行雷达天线组的各天线布置方式，与第1行雷达天线组的各天线布置方式相同；
所述雷达主机包括雷达信号发射单元、雷达信号接收单元和天线开关控制单元；
所述雷达天线阵列中的每个平面蝶形天线，均连接一个天线开关；该天线开关的动触点与平面蝶形天线的天线主体连接；该天线开关的静触点连接到雷达信号接收单元；该天线开关的开关切换动作通过所述天线开关控制单元控制；该天线开关的动触点同时与所述雷达信号发射单元连接。
2.一种权利要求1所述的多极化模式组合的阵列式探地雷达天线的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将多极化模式组合的阵列式探地雷达天线安装于探测位置的地表，建立xyz三维坐标系；其中，x轴和y轴位于地表表面，垂直于地表的方向为z轴方向；
步骤2，雷达主机选择测量模式；其中，所述测量模式包括共偏移距测量模式、共中心点测量模式和多通道测量模式；
步骤3，在当前测量模式下，雷达主机对雷达天线阵列中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，其中，平面蝶形天线具有三种状态：无效状态、发射状态和接收状态，进而分别测量得到探测位置在E11极化模式下的地质参数测量结果D11，在E22极化模式下的地质参数测量结果D22，在E12极化模式下的地质参数测量结果D12以及在E21极化模式下的地质参数测量结果D21；
其中，对于任意平面蝶形天线C0，其发射状态的控制方法为：平面蝶形天线C0的天线开关为天线开关B0；天线开关控制单元控制天线开关B0的动触点和静触点分离，同时，雷达信号发射单元通过动触点，向平面蝶形天线C0的天线主体发射雷达脉冲信号，该雷达脉冲信号向地下介质发射传播，使平面蝶形天线C0为发射状态；
其接收状态的控制方法为：天线开关控制单元控制天线开关B0的动触点和静触点导通，同时，雷达信号发射单元不向动触点发射雷达脉冲信号，因此，平面蝶形天线C0的天线主体采集雷达脉冲信号的反射波，并通过天线开关B0的动触点和静触点后，传输到雷达信号接收单元，使平面蝶形天线C0为接收状态；
其无效状态的控制方法为：天线开关控制单元控制天线开关B0的动触点和静触点分离，同时，雷达信号发射单元不向动触点发射雷达脉冲信号，使平面蝶形天线C0为无效状态；
各种极化模式下的地质参数测量结果，通过以下方法实现：
步骤3.1，测量探测位置在E11极化模式下的地质参数测量结果D11，方法为：
步骤3.1.1，雷达主机控制第1行雷达天线组、第2行雷达天线组、第5行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.1.2，雷达主机对第3行雷达天线组和第4行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第3行雷达天线组和第4行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E11极化模式下的地质参数测量结果D11；
步骤3.2，测量探测位置在E22极化模式下的地质参数测量结果D22，方法为：
步骤3.2.1，雷达主机控制第3行雷达天线组、第4行雷达天线组、第5行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.2.2，雷达主机对第1行雷达天线组和第2行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第1行雷达天线组和第2行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E22极化模式下的地质参数测量结果D22；
步骤3.3，测量探测位置在E12极化模式下的地质参数测量结果D12，方法为：
步骤3.3.1，雷达主机控制第1行雷达天线组、第4行雷达天线组、第5行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.3.2，雷达主机对第2行雷达天线组和第3行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第2行雷达天线组和第3行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E12极化模式下的地质参数测量结果D12；
步骤3.4，测量探测位置在E21极化模式下的地质参数测量结果D21，方法为：
步骤3.4.1，雷达主机控制第1行雷达天线组、第2行雷达天线组、第3行雷达天线组和第6行雷达天线组中的所有平面蝶形天线为无效状态；
步骤3.4.2，雷达主机对第4行雷达天线组和第5行雷达天线组中的各个平面蝶形天线的状态进行控制，使第4行雷达天线组和第5行雷达天线组中的各个平面蝶形天线按测量模式进行地质参数测量，得到E21极化模式下的地质参数测量结果D21；
步骤4，雷达主机对地质参数测量结果D11、地质参数测量结果D22、地质参数测量结果D12和地质参数测量结果D21进行综合加权计算，得到探测位置的地质参数总测量结果。
3.根据权利要求2所述的多极化模式组合的阵列式探地雷达天线的控制方法，其特征在于，当测量模式选择为多通道测量模式时，步骤3.1.2具体为：
1)首先使第3-1平面蝶形天线R(31)为发射状态，第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均为接收状态，雷达信号发射单元通过第3-1平面蝶形天线R(31)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均接收并记录雷达脉冲信号的反射波，由此形成第1通道测量结果；
2)首先使第3-2平面蝶形天线R(32)为发射状态，第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均为接收状态，雷达信号发射单元通过第3-2平面蝶形天线R(32)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均接收并记录雷达脉冲信号的反射波，由此形成第2通道测量结果；
依此类推
直到使第3-n3平面蝶形天线R(3n3)为发射状态，第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均为接收状态，雷达信号发射单元通过第3-n3平面蝶形天线R(3n3)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4行雷达天线组中的n4个平面蝶形天线均接收并记录雷达脉冲信号的反射波，由此形成第n3通道测量结果；
3)对第1通道测量结果，第2通道测量结果,...,第n3通道测量结果进行综合计算，得到多通道测量模式时，E11极化模式下的地质参数测量结果D11。
4.根据权利要求2所述的多极化模式组合的阵列式探地雷达天线的控制方法，其特征在于，当测量模式选择为共偏移距测量模式时，步骤3.1.2具体为：
1)首先使第3-1平面蝶形天线R(31)为发射状态，第4-1平面蝶形天线R(41)为接收状态，因此，第3-1平面蝶形天线R(31)向地下介质发射雷达脉冲信号；第4-1平面蝶形天线R(41)接收并记录雷达脉冲信号的反射波；
2)然后，使第4-1平面蝶形天线R(41)为发射状态，第3-2平面蝶形天线R(32)为接收状态，因此，第4-1平面蝶形天线R(41)向地下介质发射雷达脉冲信号；第3-2平面蝶形天线R(32)接收并记录雷达脉冲信号的反射波；
依此类推，按序推进，实现共偏移距测量模式时，E11极化模式下的地质参数测量结果D11。
5.根据权利要求2所述的多极化模式组合的阵列式探地雷达天线的控制方法，其特征在于，当测量模式选择为共中心点测量模式时，步骤3.1.2具体为：
1)按从两边向中心的方向，首先使第3-1平面蝶形天线R(31)为发射状态，第3-n3平面蝶形天线R(3n3)为接收状态，实现地下介质参数的一次测量；
然后，使第3-2平面蝶形天线R(32)为发射状态，第3-(n3-1)平面蝶形天线R(3(n3-1))为接收状态，实现地下介质参数的一次测量；依此类推，实现对第3行雷达天线组的按序控制；
2)再同样采用从两边向中心的方向，对第4行雷达天线组的各个平面蝶形天线进行控制，实现共中心点测量模式下，E11极化模式下的地质参数测量结果D11。
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