用于探地雷达系统的相控阵天线的研究与设计

发布时间：2020-02-11 03:42

【摘要】：探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR),也被称为地质雷达,是一种利用无线电波(频率介于1MHz～1GHz)来确定地下介质分布情况的探测方法。近年来,日益成熟的理论成果带动了探地雷达技术的迅速发展。由于探地雷达具有高效探测性和非破坏性等优点,目前已经广泛应用于许多领域。但是由于地下介质区域的复杂性和探地雷达探测的特殊性,对其天线的要求更加苛刻,针对目前部分探地雷达存在着探测分辨率不高,或者在提高分辨率的同时探测距离会大幅下降的缺陷,拟改进探地雷达的天线系统,用相控阵天线替代传统的探地雷达天线,充分利用相控阵天线的优势——定向波束成形能力强、抗干扰强等,研究和设计了一种用于探地雷达系统的由新型蝶形天线单元组成的相控阵天线。本文首先回顾了探地雷达的发展历史,简要介绍了当前国内外研究现状,并叙述本次研究的背景和意义。然后详细介绍了探地雷达的基本工作原理,系统组成,并对其探测性能指标进行系统阐述,接着研究了相控阵天线的基本组成,扫描的原理和主要参数,对其特点进行了概括,最后,通过对探地雷达常用天线类型的分析,设计了一种相控阵天线系统并进行优化和仿真。本文采用了新式的蝶形天线单元结构,该天线单元的两个辐射元件位于介质板的两侧,由平行线进行馈电,在该天线单元的基础上,采用馈电平行线并联,组成简单的1×2和2×2天线阵列。并以2×2天线阵列为例,使用Ansoft HFSS天线仿真软件,对其进行天线建模和参数优化设计,最后进行仿真,仿真结果显示,该天线阵列驻波比2的相对带宽达到76.25%,回波损耗(工作频率在610MHz时,S11参数的值为-15.16dB),符合设计要求,在探地雷达系统中能够很好的应用。
【图文】：

波形记录,回波信号,脉冲反射,灰阶

通过对收发天线所处位置的相对移动，就可以得到若干扫描纪录，如图2所示，接收天线收到的回波信号，经由采样电路进行采样，然后通过成像系统转换成直观的图像。该成像图通常采用脉冲反射的回波信号的波形记录。分别以黑、白色颜色表示波形的正负峰，也可以用彩色或灰阶表示。这样的话，就能用同相轴或等灰度直观的品示出地下介质的不同反射面。波形记录示意图如下图3所示。参照简中-的地下介质中的被测物模型，画出丫所记录的波形示意图。在图3 k各波形都是按照测线的垂直方向记录的，由此构成了雷达的剖面，从该图可以直观的估计出被探测物体的大概形状和所处位置，整个过程就是探地雷达系统基本的丨：作原理。^ ^ ......... 12 3 4 5 6 7 点位fnO： liL rrtItttT~^ 岤 tj图2扫描纪录图3波形记录示意图Fig2 Scanning records Fig3 Schematic diagram of waveform recording2.2探地雷达的系统组成探地雷达主要是由主控制中-元，发射和接收单元，信号处理单元以及显示中-元组成的。图4是探地雷达系统的整体结构图。-8-

示意图,波形记录,示意图

参照简中-的地下介质中的被测物模型，画出丫所记录的波形示意图。在图3 k各波形都是按照测线的垂直方向记录的，由此构成了雷达的剖面，从该图可以直观的估计出被探测物体的大概形状和所处位置，整个过程就是探地雷达系统基本的丨：作原理。^ ^ ......... 12 3 4 5 6 7 点位fnO： liL rrtItttT~^ 岤 tj图2扫描纪录图3波形记录示意图Fig2 Scanning records Fig3 Schematic diagram of waveform recording2.2探地雷达的系统组成探地雷达主要是由主控制中-元，，发射和接收单元，信号处理单元以及显示中-元组成的。图4是探地雷达系统的整体结构图。-8-
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN957.2

【参考文献】