探地雷达天线系统的设计、实现与优化

【摘要】：探地雷达或地质雷达是一种新型有效的浅层地下目标探测设备，广泛应用于水文地质和工程地质勘察，正在发挥着越来越重要的作用。探地雷达天线系统是探地雷达的关键部件，该系统包括高电压短脉冲发生器、脉冲辐射天线、接收天线、宽带低噪声高频放大器、采样变换电路和低频放大器。根据不同的探测环境和探测目标，需要选择不同频率的系统。系统的中心频率从10MHz开始一直到2000MHz。该系统的性能直接决定了雷达的探测效果。针对探地雷达的特性，本文主要研究了探地雷达天线系统的分析、设计和工程实现等问题。论文主要内容概括如下： 1．天线系统是探地雷达实现电磁发射和接收的部件，该系统在雷达主机的控制下协调工作，实现探测脉冲发射和回波接收。论文首先从探地雷达的基本原理出发，说明了探地雷达的基本结构和整体设计思想，并分析了探地雷达的探测性能与天线系统结构之间的关系。 2．根据冲击型探地雷达的原理，窄脉冲发生电路是探地雷达的一个重要的基本单元电路，它是组成脉冲发射电路和取样变换电路的重要组成部分。论文分析了由雪崩晶体管组成的窄脉冲发生电路和阶跃二极管组成的脉冲整形电路的原理与特性。为纳秒和亚纳秒级脉冲电路的设计与实现提供了必要的理论依据。 通过分析比较雪崩晶体管和阶跃二极管组成的脉冲电路，可以得出以下有益的结论：(1)二者都具有脉冲重复频率较高的特点，但相对而言，阶跃二极管脉冲电路的重复频率更高，可以达到数十兆，而雪崩晶体管脉冲电路的重复频率不超过一兆赫兹；(2)阶跃二极管脉冲电路可以采用低电压电源供电借助于开关电路产生高压脉冲，雪崩晶体管脉冲电路则需要高压电源供电；(3)雪崩晶体管脉冲电路输出脉冲的前沿时间一般在几纳秒，不低于一纳秒，阶跃二极管脉冲电路输出脉冲的前沿时间可以达到数十皮秒；(4)雪崩晶体管脉冲电路是基于碰撞电离雪崩击穿机制的脉冲电路，和阶跃二极管脉冲电路比较，具有较大的相位噪声，导致脉冲周期抖动。 3．蝶形天线是一种被广泛采用的宽带天线，也是冲击型探地雷达首选的一种天线形式。论文运用时域有限差分方法分析了蝶形天线的脉冲辐射特性、地下媒质中电磁波的衰减特性以及几种典型情况下电磁波的散射回波特性。这些理论分析对雷达天线的设计与回波信号的处理具有一定的指导意义。 探地雷达的最大探测距离一般在几个波长到十几个波长，用天线的远场辐射特性来 分析探地雷达天线显然不太合适。论文根据时域有限差分方法对蝶形天线的方向特性进 行分析，结果表明，在H面内，辐射的最大方向并不是天线的正下方，而是分裂指向 天线的两侧，且随着离开天线的距离变化而变化。随着地下媒质介电常数的增大，分裂 的波瓣向天线正下方靠拢，辐射能量祸合到地下增强。 作用于探地雷达天线的激励脉冲，由于天线末端的反射，会在天线上形成衰减震荡， 在激励电压结束后，天线上的电流还会持续一定的时间，这将会干扰探地雷达近距离的 探测效果。克服的方法是电阻加载，而电阻加载会导致天线效率下降。采用分布加载和 馈电点集中加载可以得到较好的效果。 4.运用混合势积分方程和矩量法在频域内分析了蝶形天线的阻抗特性以及地下媒 质对天线的阻抗特性的影响。阻抗特性的分析为天线与发射电路以及接收电路的匹配奠 定了重要的理论基础。 对于蝶形天线，输入阻抗随频率是起伏变化的，随着展开角向90c接近，起伏越来 越小。即蝶形天线在展开角接近900时，具有较好的宽带特性。当天线贴近地面时，在 地下媒质的作用下，天线的阻抗随频率的起伏变小，天线离地面越近，这一效果越显著， 即地下媒质的作用扩展聊天线的带宽。由于地下媒质的影响，天线阻抗随频率变化曲线 向低频方向压缩。随着地下媒质介电常数的增大，这一压缩更加显著，由地下媒质的多 变性，导致了天线祖康的不确定。天线加载后，输入阻抗随频率的起伏明显减小，天线 频带被展宽，但阻抗随地下媒质的变化依然存在。 5.高频放大器是探地雷达实现回波采集的第一级信号处理电路，雷达接收机的灵 敏度很大程度上取决于高频放大器的性能，该电路要求具有宽频带和低噪声特性。论文 介绍并分析了一种负反馈型高频放大器，并通过ADS仿真系统的模拟和实验电路的测 量证实了该电路的可行性。同时分析了相应的可变增益放大电路的增益特性和噪声特 性，为进一步改进雷达性能提供了理论依据。 负反馈型宽带放大器具有良好的匹配特性，由于串联反馈电阻的引入，放大器的噪 声性能有所下降，选择低噪声电阻和减小该电阻阻值会改善放大器的噪声特性。采用微 波晶体管BFR93，实现了宽带高频放大器，在40MHz一300MHz范围内增益大于13dB， 3dB带宽约为200MHz，模拟结果显示噪声系数小于1 .8。 用差分对晶体管作负载，利用晶体管的非线性区，可以构成相应的可变增益放大电 路，该电路增益(以dB表示)随控制电压线性变化，这一特性特别适合于探地雷达高 频放大器的要求。一该电路的噪声性能随着放大器的增益下降变坏，电路的这一噪声特性 并不影响雷达对回波信号的检测，当回波信号较强时才会降低