張金花,昝月穩(wěn),劉國(guó)祥,應(yīng)國(guó)偉,吳松波

(1.四川省第三測(cè)繪工程院，成都　610500；2.西南交通大學(xué)　地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都　610500)

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基于車載探地雷達(dá)空氣耦合天線波瓣寬度的定量化研究

張金花1,昝月穩(wěn)2,劉國(guó)祥2,應(yīng)國(guó)偉1,吳松波2

(1.四川省第三測(cè)繪工程院，成都610500；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都610500)

摘要：近年來(lái)由于地面耦合天線存在探測(cè)范圍小、探測(cè)效率低下等缺陷，不適于車載探地雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌遠(yuǎn)距離大范圍的檢測(cè)。研究分析空氣耦合天線的波瓣寬度對(duì)確定天線的探測(cè)范圍至關(guān)重要，進(jìn)而能夠?yàn)檐囕d探地雷達(dá)進(jìn)行隧道全斷面檢測(cè)提供天線個(gè)數(shù)與位置設(shè)置的最優(yōu)設(shè)計(jì)依據(jù)。提出一種雙基站空氣耦合天線探測(cè)范圍的測(cè)量方法，并據(jù)此開展實(shí)驗(yàn)，分析了HDB-350MHz空氣耦合天線的半功率波瓣寬度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明所提供的測(cè)量波瓣寬度的方法具有可行性借鑒性。

關(guān)鍵詞：車載探地雷達(dá)；空氣耦合天線；半功率波瓣寬

0引言

天線是探地雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分之一，其性能的優(yōu)劣直接影響雷達(dá)對(duì)地下目標(biāo)的探測(cè)與分辨能力。目前的商用探地雷達(dá)天線按照耦合介質(zhì)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(cè)范圍基本為天線的底面積，因而不適用于車載式探地雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)隧道襯砌?？諝怦詈咸炀€輻射能量集中，其脈沖方向性很強(qiáng)，具有大范圍探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，因此多用于遠(yuǎn)距離探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中(如鐵路、公路隧道檢測(cè)等[2-4])。在車載式探地雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌全斷面檢測(cè)時(shí)通常需考慮天線的個(gè)數(shù)以及安裝位置，空氣耦合天線的探測(cè)范圍是設(shè)計(jì)上述的關(guān)鍵因子?？諝怦詈咸炀€的探測(cè)范圍與天線的主瓣寬度、天線到目標(biāo)的距離有直接的關(guān)系。主瓣寬度與天線的結(jié)構(gòu)、地下介質(zhì)特性與天線距離地面的高度有關(guān)，直接測(cè)定有一定的難度。Belli[5]提出了采用實(shí)驗(yàn)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(cè)定方法，這里提出一種雙基站(一發(fā)一收)空氣耦合天線探測(cè)范圍的測(cè)量方法，并據(jù)此開展實(shí)驗(yàn)，以瑞典Radar Team的HDB-350 MHz半球形蝴蝶偶極子天線為研究對(duì)象，進(jìn)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(cè)，最大場(chǎng)強(qiáng)下降至0.707倍位置時(shí)兩個(gè)方向之間的夾角為2θ0.5[2]。

1.2單-雙基站波瓣寬度測(cè)量原理

一般雷達(dá)波束的有效照射區(qū)域通常呈錐形，當(dāng)天線的波束中線與襯砌表面垂直時(shí)，照射范圍近似為圓；當(dāng)存在一定夾角時(shí)，為橢圓。而圓(橢圓)的直徑(長(zhǎng)軸)近似為天線的最大有效長(zhǎng)度Lmax，并認(rèn)為超過(guò)Lmax部分的信號(hào)與有效長(zhǎng)度中心點(diǎn)信號(hào)不相關(guān)[7-8]。

對(duì)于單基站方式而言，所得的探測(cè)范圍只代表發(fā)射天線的特性[5]，即圖1中黃色區(qū)域，最大有效長(zhǎng)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(biāo)距離。天線的主瓣寬度θ與天線的結(jié)構(gòu)、地下介質(zhì)特性與天線距離地面的高度有關(guān)[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(zhǎng)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(cè)范圍、天線到目標(biāo)距離R有關(guān)，雙基站方式的波瓣寬度不僅與探測(cè)范圍、R有關(guān)，還與收發(fā)間距Δx有關(guān)。通常Δx固定，R較易確定，但是探測(cè)范圍的最大有效長(zhǎng)度難以確定。

2波瓣寬度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

2.1天線介紹

實(shí)驗(yàn)所采用的天線為瑞典Radarteam AB 公司生產(chǎn)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(dá)天線，具有強(qiáng)穿透能力、寬波束寬、高分辨率和最低振鈴效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，主要用于公路路基與鐵路路基檢測(cè)以及機(jī)載的雪層厚度測(cè)量[13]。

圖3　天線參數(shù)Fig.3　Antenna parameter

2.2設(shè)計(jì)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(zhǎng)近似為λ=90 cm。由奈奎斯特采樣定律知，當(dāng)空間采樣間隔Δx≤≤22.5 cm時(shí)能夠滿足采樣頻率fs≥2fc，為了實(shí)驗(yàn)設(shè)置格網(wǎng)簡(jiǎn)便，選取Δx=15 cm。實(shí)驗(yàn)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(biāo)，將一個(gè)范圍為150 cm×210 cm的網(wǎng)格紙放置在目標(biāo)下方，如圖4所示，網(wǎng)格紙中共有網(wǎng)格10×14個(gè)，逐一格網(wǎng)依次移動(dòng)目標(biāo)，共采集140個(gè)觀測(cè)值和位置數(shù)9據(jù)(圖5)，圖5中藍(lán)色區(qū)域近似為天線位置。

圖4　實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.4　The test schematic diagram

2.3結(jié)果與分析

圖5　實(shí)驗(yàn)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(biāo)到天線距離的大小成反比關(guān)系，即距離小的振幅反而大。為了進(jìn)一步確定天線的衰減特性并驗(yàn)證這個(gè)理論，繪出當(dāng)y=0時(shí)目標(biāo)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(lán)色曲線發(fā)現(xiàn)，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(diǎn))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(zhǎng)度近似為100 cm。

2.4．實(shí)驗(yàn)總結(jié)

作者的實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果均有實(shí)際指導(dǎo)意義與借鑒價(jià)值：

1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出時(shí)域?qū)掝l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(biāo)為100 cm時(shí)的探測(cè)范圍近似一個(gè)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(jù)公式便可知天線在該高度位置時(shí)的照射范圍。

3)實(shí)驗(yàn)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(dá)隧道檢測(cè)系統(tǒng)[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(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的實(shí)際參考意義。

3結(jié)論

作者首先結(jié)合當(dāng)前實(shí)際需求對(duì)比分析了地面耦合天線與空氣耦合天線的優(yōu)缺點(diǎn)，地面耦合天線已經(jīng)不足以滿足當(dāng)前需求，取而代之的是具有大范圍探測(cè)的能力的逐漸在公路、鐵路等的路基與隧道檢測(cè)中占有顯著地位的空氣耦合天線，然而對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明所提的測(cè)量波瓣寬度的方法具有可行性與借鑒性，同時(shí)為中頻耦合天線的研究提供了理論與技術(shù)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(yīng)，因此實(shí)驗(yàn)得出的探測(cè)范圍僅僅為襯砌表層上的，襯砌表層下的探測(cè)范圍還有待于進(jìn)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(xiàng)目:測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(201412010)；四川省測(cè)繪地理信息局科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(J2013ZH02)；四川省測(cè)繪地理信息局科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(J2014ZC03)；四川省安全監(jiān)管局(四川煤監(jiān)局)安全生產(chǎn)科技項(xiàng)目(SCaqjgjs_stp_20150016)

作者簡(jiǎn)介：張金花(1986-)，女，碩士，主要研究方向?yàn)樘降乩走_(dá)，E-mail:jinhuazhang2011@126.com。

文章編號(hào)：1001-1749(2016)02-0180-05

中圖分類號(hào)：P 631.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.06