基于車載探地雷達空氣耦合天線波瓣寬度的定量化研究

張金花,昝月穩,劉國祥,應國偉,吳松波

(1.四川省第三測繪工程院，成都　610500；2.西南交通大學　地球科學與環境工程學院，成都　610500)

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基于車載探地雷達空氣耦合天線波瓣寬度的定量化研究

張金花1,昝月穩2,劉國祥2,應國偉1,吳松波2

(1.四川省第三測繪工程院，成都610500；2.西南交通大學地球科學與環境工程學院，成都610500)

摘要：近年來由于地面耦合天線存在探測范圍小、探測效率低下等缺陷，不適于車載探地雷達進行隧道襯砌遠距離大范圍的檢測。研究分析空氣耦合天線的波瓣寬度對確定天線的探測范圍至關重要，進而能夠為車載探地雷達進行隧道全斷面檢測提供天線個數與位置設置的最優設計依據。提出一種雙基站空氣耦合天線探測范圍的測量方法，并據此開展實驗，分析了HDB-350MHz空氣耦合天線的半功率波瓣寬度。通過實驗進行驗證，結果證明所提供的測量波瓣寬度的方法具有可行性借鑒性。

關鍵詞：車載探地雷達；空氣耦合天線；半功率波瓣寬

0引言

天線是探地雷達系統中的關鍵部分之一，其性能的優劣直接影響雷達對地下目標的探測與分辨能力。目前的商用探地雷達天線按照耦合介質的不同可以分為兩類①地面耦合天線；②空氣耦合天線[1-2]。由于地面耦合天線的方向性差(朝下輻射角為180°)，最大探測范圍基本為天線的底面積，因而不適用于車載式探地雷達進行遠距離檢測隧道襯砌?？諝怦詈咸炀€輻射能量集中，其脈沖方向性很強，具有大范圍探測的優勢，因此多用于遠距離探測的實際應用中(如鐵路、公路隧道檢測等[2-4])。在車載式探地雷達進行隧道襯砌全斷面檢測時通常需考慮天線的個數以及安裝位置，空氣耦合天線的探測范圍是設計上述的關鍵因子?？諝怦詈咸炀€的探測范圍與天線的主瓣寬度、天線到目標的距離有直接的關系。主瓣寬度與天線的結構、地下介質特性與天線距離地面的高度有關，直接測定有一定的難度。Belli[5]提出了采用實驗的方法間接研究2.0 GHz的高頻空氣耦合天線的波瓣寬度。

為了探究中頻空氣耦合天線半功率波瓣寬的測定方法，這里提出一種雙基站(一發一收)空氣耦合天線探測范圍的測量方法，并據此開展實驗，以瑞典Radar Team的HDB-350 MHz半球形蝴蝶偶極子天線為研究對象，進行波瓣寬度定量化研究。

1波瓣寬度定量化方法

1.1波瓣寬度

半功率波瓣寬度的定義：在主瓣最大值的兩側，最大場強下降至0.707倍位置時兩個方向之間的夾角為2θ0.5[2]。

1.2單-雙基站波瓣寬度測量原理

一般雷達波束的有效照射區域通常呈錐形，當天線的波束中線與襯砌表面垂直時，照射范圍近似為圓；當存在一定夾角時，為橢圓。而圓(橢圓)的直徑(長軸)近似為天線的最大有效長度Lmax，并認為超過Lmax部分的信號與有效長度中心點信號不相關[7-8]。

對于單基站方式而言，所得的探測范圍只代表發射天線的特性[5]，即圖1中黃色區域，最大有效長度由公式(1)確定。

Lmax=2R*tan(θ/2)

(1)其中：θ為天線的主瓣寬度；R為天線到目標距離。天線的主瓣寬度θ與天線的結構、地下介質特性與天線距離地面的高度有關[6],由公式(1)知，確定天線的主瓣寬度θ，需要確定最大有效長度Lmax與距離R，因此單基站方式天線的波瓣寬度公式為式(2)。

(2)

圖1　單基站方式Fig.1　Single base station

圖2　雙基站方式Fig.2　Dual base station

(3)

由公式(2)、公式(3)知，單基站方式的波瓣寬度與探測范圍、天線到目標距離R有關，雙基站方式的波瓣寬度不僅與探測范圍、R有關，還與收發間距Δx有關。通常Δx固定，R較易確定，但是探測范圍的最大有效長度難以確定。

2波瓣寬度測量實驗

2.1天線介紹

實驗所采用的天線為瑞典Radarteam AB 公司生產的HDB-350MHz天線(圖3)。該天線為半球形蝴蝶偶極子雙基站方式的空氣耦合天線，大小為740 mm×405 mm×225 mm。天線是超寬、超高頻探地雷達天線，具有強穿透能力、寬波束寬、高分辨率和最低振鈴效應等優勢，主要用于公路路基與鐵路路基檢測以及機載的雪層厚度測量[13]。

圖3　天線參數Fig.3　Antenna parameter

2.2設計方案

HDB-350 MHz天線的中心頻率為fc=334 MHz，在自由空間中的波長近似為λ=90 cm。由奈奎斯特采樣定律知，當空間采樣間隔Δx≤≤22.5 cm時能夠滿足采樣頻率fs≥2fc，為了實驗設置格網簡便，選取Δx=15 cm。實驗中，天線中心垂直于地表，距離地表高度為R=125 cm，選擇直徑為25 cm的包有錫箔紙的籃球作為研究目標，將一個范圍為150 cm×210 cm的網格紙放置在目標下方，如圖4所示，網格紙中共有網格10×14個，逐一格網依次移動目標，共采集140個觀測值和位置數9據(圖5)，圖5中藍色區域近似為天線位置。

圖4　實驗原理圖Fig.4　The test schematic diagram

2.3結果與分析

圖5　實驗布局圖Fig.5　The test layout diagram

圖6　歸一化振幅圖Fig.6　The normalized amplitude figure

圖7　插值歸一化振幅圖Fig.7　Interpolation normalized amplitude

圖8　振幅衰減圖Fig.8　Amplitude decay graph

理論上，振幅大小與目標到天線距離的大小成反比關系，即距離小的振幅反而大。為了進一步確定天線的衰減特性并驗證這個理論，繪出當y=0時目標的振幅隨其水平位置變化的衰減曲線圖(圖8)。觀察圖8中藍色曲線發現，與理論上天線隨距離變化的衰減特性基本一致。取振幅衰減到70 %[3](功率降到3 db，即半功率點)的位置，即圖8中紅色虛線所示位置，得出天線的最大有效長度近似為100 cm。

2.4．實驗總結

作者的實驗方案與結果均有實際指導意義與借鑒價值：

1)通過實驗得出時域寬頻帶雙基站的空氣耦合天線的半功率波瓣寬度為68°，在距離目標為100 cm時的探測范圍近似一個直徑為100 cm的圓。

2)若已知350 MHz天線與襯砌表面的深度距離，根據公式便可知天線在該高度位置時的照射范圍。

3)實驗選用的頻率為350 MHz的空氣耦合天線，這與鐵路車載探地雷達隧道檢測系統[14,15]中所用的頻率為300 MHz的空氣耦合天線非常接近，因此實驗結果具有一定的實際參考意義。

3結論

作者首先結合當前實際需求對比分析了地面耦合天線與空氣耦合天線的優缺點，地面耦合天線已經不足以滿足當前需求，取而代之的是具有大范圍探測的能力的逐漸在公路、鐵路等的路基與隧道檢測中占有顯著地位的空氣耦合天線，然而對空氣耦合天線的半功率波瓣寬度未定量化研究。作者提出一種能定量化研究空氣耦合天線的半功率波瓣寬度的方法，通過實驗進行驗證，結果證明所提的測量波瓣寬度的方法具有可行性與借鑒性，同時為中頻耦合天線的研究提供了理論與技術支撐。然而，該研究還存在一定缺陷，即未考慮在襯砌表面的折射效應，因此實驗得出的探測范圍僅僅為襯砌表層上的，襯砌表層下的探測范圍還有待于進一步研究。

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The quantitative research on half-power beam-width of the air-coupled antenna based on vehicle-mounted GPR

ZHANG Jin-hua1,ZAN Yue-wen2,LIU Guo-xiang2,YING Guo-wei1,WU Song-bo2

(1.The Third Surveying and Mapping Engineering Institute of Sichuan,Chengdu610500,China；2.Southwest Jiaotong University Sichuan,Chengdu610500，China)

Abstract:Antenna is one of the key system components of the impulse ground-penetrating-radar(GPR).The characteristics of the antenna would affect the capability of GPR for detecting and identifying the underground target directly.In recent years,the ground-coupled antenna has become unable to meet the needs of a wide range of long-range detection,due to its small detection area and poor directionality.The characteristics analysis of air-coupled antenna is critical to determine the detection range.In this study,we proposed a method to measure the detection range of the dual station air-coupled antenna.And on the basis of experiment,the half-power beam-width of air coupling antenna is analyzed.

Key words:vehicle-mounted GPR;air-coupled antenna;half-power beam-width

收稿日期：2015-03-12改回日期：2015-08-12

基金項目:測繪地理信息公益性行業科研專項經費資助(201412010)；四川省測繪地理信息局科技計劃項目資助(J2013ZH02)；四川省測繪地理信息局科技計劃項目資助(J2014ZC03)；四川省安全監管局(四川煤監局)安全生產科技項目(SCaqjgjs_stp_20150016)

作者簡介：張金花(1986-)，女，碩士，主要研究方向為探地雷達，E-mail:jinhuazhang2011@126.com。

文章編號：1001-1749(2016)02-0180-05

中圖分類號：P 631.3

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.06