张金花,昝月稳,刘国祥,应国伟,吴松波

(1.四川省第三测绘工程院，成都　610500；2.西南交通大学　地球科学与环境工程学院，成都　610500)



基于车载探地雷达空气耦合天线波瓣宽度的定量化研究

张金花1,昝月稳2,刘国祥2,应国伟1,吴松波2

(1.四川省第三测绘工程院，成都610500；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都610500)

摘要：近年来由于地面耦合天线存在探测范围小、探测效率低下等缺陷，不适于车载探地雷达进行隧道衬砌远距离大范围的检测。研究分析空气耦合天线的波瓣宽度对确定天线的探测范围至关重要，进而能够为车载探地雷达进行隧道全断面检测提供天线个数与位置设置的最优设计依据。提出一种双基站空气耦合天线探测范围的测量方法，并据此开展实验，分析了HDB-350MHz空气耦合天线的半功率波瓣宽度。通过实验进行验证，结果证明所提供的测量波瓣宽度的方法具有可行性借鉴性。

关键词：车载探地雷达；空气耦合天线；半功率波瓣宽

0引言

天线是探地雷达系统中的关键部分之一，其性能的优劣直接影响雷达对地下目标的探测与分辨能力。目前的商用探地雷达天线按照耦合介质的不同可以分为两类①地面耦合天线；②空气耦合天线[1-2]。由于地面耦合天线的方向性差(朝下辐射角为180°)，最大探测范围基本为天线的底面积，因而不适用于车载式探地雷达进行远距离检测隧道衬砌。空气耦合天线辐射能量集中，其脉冲方向性很强，具有大范围探测的优势，因此多用于远距离探测的实际应用中(如铁路、公路隧道检测等[2-4])。在车载式探地雷达进行隧道衬砌全断面检测时通常需考虑天线的个数以及安装位置，空气耦合天线的探测范围是设计上述的关键因子。空气耦合天线的探测范围与天线的主瓣宽度、天线到目标的距离有直接的关系。主瓣宽度与天线的结构、地下介质特性与天线距离地面的高度有关，直接测定有一定的难度。Belli[5]提出了采用实验的方法间接研究2.0 GHz的高频空气耦合天线的波瓣宽度。

为了探究中频空气耦合天线半功率波瓣宽的测定方法，这里提出一种双基站(一发一收)空气耦合天线探测范围的测量方法，并据此开展实验，以瑞典Radar Team的HDB-350 MHz半球形蝴蝶偶极子天线为研究对象，进行波瓣宽度定量化研究。

1波瓣宽度定量化方法

1.1波瓣宽度

半功率波瓣宽度的定义：在主瓣最大值的两侧，最大场强下降至0.707倍位置时两个方向之间的夹角为2θ0.5[2]。

1.2单-双基站波瓣宽度测量原理

一般雷达波束的有效照射区域通常呈锥形，当天线的波束中线与衬砌表面垂直时，照射范围近似为圆；当存在一定夹角时，为椭圆。而圆(椭圆)的直径(长轴)近似为天线的最大有效长度Lmax，并认为超过Lmax部分的信号与有效长度中心点信号不相关[7-8]。

对于单基站方式而言，所得的探测范围只代表发射天线的特性[5]，即图1中黄色区域，最大有效长度由公式(1)确定。

Lmax=2R*tan(θ/2)

(1)其中：θ为天线的主瓣宽度；R为天线到目标距离。天线的主瓣宽度θ与天线的结构、地下介质特性与天线距离地面的高度有关[6],由公式(1)知，确定天线的主瓣宽度θ，需要确定最大有效长度Lmax与距离R，因此单基站方式天线的波瓣宽度公式为式(2)。

(2)

图1　单基站方式Fig.1　Single base station

图2　双基站方式Fig.2　Dual base station

(3)

由公式(2)、公式(3)知，单基站方式的波瓣宽度与探测范围、天线到目标距离R有关，双基站方式的波瓣宽度不仅与探测范围、R有关，还与收发间距Δx有关。通常Δx固定，R较易确定，但是探测范围的最大有效长度难以确定。

2波瓣宽度测量实验

2.1天线介绍

实验所采用的天线为瑞典Radarteam AB 公司生产的HDB-350MHz天线(图3)。该天线为半球形蝴蝶偶极子双基站方式的空气耦合天线，大小为740 mm×405 mm×225 mm。天线是超宽、超高频探地雷达天线，具有强穿透能力、宽波束宽、高分辨率和最低振铃效应等优势，主要用于公路路基与铁路路基检测以及机载的雪层厚度测量[13]。

图3　天线参数Fig.3　Antenna parameter

2.2设计方案

HDB-350 MHz天线的中心频率为fc=334 MHz，在自由空间中的波长近似为λ=90 cm。由奈奎斯特采样定律知，当空间采样间隔Δx≤≤22.5 cm时能够满足采样频率fs≥2fc，为了实验设置格网简便，选取Δx=15 cm。实验中，天线中心垂直于地表，距离地表高度为R=125 cm，选择直径为25 cm的包有锡箔纸的篮球作为研究目标，将一个范围为150 cm×210 cm的网格纸放置在目标下方，如图4所示，网格纸中共有网格10×14个，逐一格网依次移动目标，共采集140个观测值和位置数9据(图5)，图5中蓝色区域近似为天线位置。

图4　实验原理图Fig.4　The test schematic diagram

2.3结果与分析

图5　实验布局图Fig.5　The test layout diagram

图6　归一化振幅图Fig.6　The normalized amplitude figure

图7　插值归一化振幅图Fig.7　Interpolation normalized amplitude

图8　振幅衰减图Fig.8　Amplitude decay graph

理论上，振幅大小与目标到天线距离的大小成反比关系，即距离小的振幅反而大。为了进一步确定天线的衰减特性并验证这个理论，绘出当y=0时目标的振幅随其水平位置变化的衰减曲线图(图8)。观察图8中蓝色曲线发现，与理论上天线随距离变化的衰减特性基本一致。取振幅衰减到70 %[3](功率降到3 db，即半功率点)的位置，即图8中红色虚线所示位置，得出天线的最大有效长度近似为100 cm。

2.4．实验总结

作者的实验方案与结果均有实际指导意义与借鉴价值：

1)通过实验得出时域宽频带双基站的空气耦合天线的半功率波瓣宽度为68°，在距离目标为100 cm时的探测范围近似一个直径为100 cm的圆。

2)若已知350 MHz天线与衬砌表面的深度距离，根据公式便可知天线在该高度位置时的照射范围。

3)实验选用的频率为350 MHz的空气耦合天线，这与铁路车载探地雷达隧道检测系统[14,15]中所用的频率为300 MHz的空气耦合天线非常接近，因此实验结果具有一定的实际参考意义。

3结论

作者首先结合当前实际需求对比分析了地面耦合天线与空气耦合天线的优缺点，地面耦合天线已经不足以满足当前需求，取而代之的是具有大范围探测的能力的逐渐在公路、铁路等的路基与隧道检测中占有显著地位的空气耦合天线，然而对空气耦合天线的半功率波瓣宽度未定量化研究。作者提出一种能定量化研究空气耦合天线的半功率波瓣宽度的方法，通过实验进行验证，结果证明所提的测量波瓣宽度的方法具有可行性与借鉴性，同时为中频耦合天线的研究提供了理论与技术支撑。然而，该研究还存在一定缺陷，即未考虑在衬砌表面的折射效应，因此实验得出的探测范围仅仅为衬砌表层上的，衬砌表层下的探测范围还有待于进一步研究。

参考文献：

[1]雷文太，柳建新.探地雷达理论与应用[M].北京：电子工业出版社,2011.

LEI W T,LIU J X.Ground penetrating radar(GPR) theory and application[M].Beijing:Electronic Industry Press,2011.(In Chinese)

[2]曾昭发，刘四新，冯晅，等.探地雷达原理与应用[M].北京：电子工业出版社,2010.

ZENG Z F,LIU S X,FENG X,et al.Principle and application of ground penetrating radar(GPR).Beijing:Electronic Industry Press,2010.(In Chinese)

[3]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社,1994.

LI D X.Ground penetrating radar(GPR) method and application[M].Beijing:Geological Publishing House,1994.(In Chinese)

[4]DANIELS D J.Surface Penetrating Radar [M].London,UK:Published by IEE,1996.

[5]BELLI K M.Ground penetrating radar bridge deck investigations using computational modeling[D].Northeastern University,2008.

[6]MILLARD S G,SHAARI A,BUNGEY J H.Field pattern characteristics of GPR antennas[J].NDT&E International,2002,35(7):473-482.

[7]张安学，蒋延生，陈文超，等.探地雷达有效口径和扫描点间距的实验研究[J].电波科学学报,2001,16(2):256-260.

ZHANG A X,JING Y S,CHEN W C,et al.Experimental studies of GPR valid aperture and scanning spots separation settlement[J].Chinese Journal of Radio Science.2001,16(2) :256-260.(In Chinese)

[8]皮亦鸣.合成孔径雷达成像原理[M].成都：电子科技大学出版社,2007.

PI Y M.Synthetic aperture radar imaging principle[M].Chengdu:University of electronic science and technology press,2007.(In Chinese)

[9]石新军.电偶极子天线电磁场辐射特性[J].兰州大学学报:自然科学版,2009,45(F06):145-146.

SHI X J.Electric dipole antenna electromagnetic field radiation characteristics[J].Journal of lanzhou university:natural science,2009,45(06):145-146.(In Chinese)

[10]吕宽州，姜俊.电偶极子的场及辐射[J].河南科学,2003,21(5):512-514.

LV K Z,JIANG J.Electric dipole field and radiation[J].Henan Science,2003,21(5):512-514.(In Chinese)

[11]黄伟民.电偶极子辐射公式的简单推导[J].大学物理,1994,13(2):28-29.

HUANG W M.Simple formula of the electric dipole radiation[J].University physics,1994,13(2):28-29.(In Chinese)

[12]GSSI.Antenna electrical specifications.USA:Geophysical SurveySystems;1992.

[13]RADARTEAM.HBD-350_datasheet [EB/OL].[2014-05-15].http://www.radarteam.se/images/products/pdf/HBD-350_datasheet.pdf.

[14]昝月稳，李桂明.既有线电气化铁路隧道病害全断面车载检测技术[J].中国铁路,2013(6):64-66.

ZAN Y W,LI G M.The vehicle detection technology for wired electrified railway tunnel disease whole-cross[J].Chinese railway,2013(6):64-66.(In Chinese)

[15]昝月稳.高速扫描多通道铁路车载探地雷达系统[J].西铁科技,2009(1):33-35.

ZAN Y W.High-speed scanning multi-channel railway ground penetrating radar system[J].West rail technology,2009(1):33-35.(In Chinese)

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

基金项目:测绘地理信息公益性行业科研专项经费资助(201412010)；四川省测绘地理信息局科技计划项目资助(J2013ZH02)；四川省测绘地理信息局科技计划项目资助(J2014ZC03)；四川省安全监管局(四川煤监局)安全生产科技项目(SCaqjgjs_stp_20150016)

作者简介：张金花(1986-)，女，硕士，主要研究方向为探地雷达，E-mail:jinhuazhang2011@126.com。

文章编号：1001-1749(2016)02-0180-05

中图分类号：P 631.3

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.06