具有屏蔽腔和吸波材料的探地雷达天线的FDTD分析概要.docx

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具有屏蔽腔和吸波材料的探地雷达天线的FDTD分析概要

第21卷　第3期电　波　科　学　学　报Vol.21,No.32006年6月　　　　　　　　　　　　CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE　　　　　　　　June,2006　　　　　文章编号　100520388（2006）0320422206

具有屏蔽腔和吸波材料的探地

雷达天线的FDTD分析

刘立业　粟　毅　毛钧杰

（国防科学技术大学电子科学与工程学院,liu_liye@,湖南长沙摘　要　,以及一定的隔离度。

TEM

喇叭天线,响,可以减小收发天线之间的直耦信

号,,从而提高了系统的动态范围。

　探地雷达,天线,FDTD方法,广义完全匹配吸收层

中图分类号　TN821　　　　文献标识码　A

FDTDanalysisofgroundpenetratingradarantennas

withshieldsandabsorbers

LIULi2ye　SUYi　MAOJun2jie

（CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefense

Technology,liu_liye@,ChangshaHunan410073,China）

Abstract　Oneofthemostcriticalhardwarecomponentsofaground2penetratingra2

dar（GPR）istheantennasystem.Theimportantparametersofantennas,suchas

antennabandwidth,radiationwaveform,andcrosscoupling,determinetheGPR

systemperformance.ThemodifiedTEMhornantennawithdistributedresistor2

loadedispresentedinthepaper,andtheradiationpropertiesofantennawiththe

shieldandabsorbingmaterialarestudiedthroughthethree2dimensionalfinite2

differencetime2domain（FDTD）scheme.Thesimulationsshowthatthecoupled

signalbetweenthetransmitterandreceiverantennasisdecreasedthroughshields

andabsorbers,andthesignal2to2clutterandthedynamicrangeoftheGPRsystem

canbeimprovedeffectively.

Keywords　GPR,antenna,FDTD,GPML

1　引　言

工作于毫微秒级无载频脉冲体制下的探地雷达

（GPR）是当今各种地下浅层目标非破坏性探测技

术中最具有应用前景和发展前途的方法之一,它常

用来检测地下浅层目标,诸如管道、电缆、地雷以及路面隐患等[1]。

冲击脉冲探地雷达实现对地下目标的探测,是依靠频带宽、保形度好、非色散的时域天线将无载频脉冲发射到地下,再由相同特征的天线接收探测回波。

天线的性能将影响整个雷达系统的探测分辨率、定位精度以及目标识别水平。

收发天线之间的

收稿日期:

2004212214.　　　基金项目:

国家高科技发展计划项目（2001AA132020）

资助课题

422

第3期　　　　　　　　刘立业等:

具有屏蔽腔和吸波材料的探地雷达天线的FDTD分析隔离度也是衡量天线性能的参数之一。

为提高天线间的隔离度,同时减小外部物体以及射频噪声等干扰信号的影响,提高系统的动态范围,一般多采用屏蔽腔对其进行隔离。

但仅加入屏蔽腔会使天线与屏蔽腔之间产生高频振荡,所以实际应用中通常在屏蔽腔内部加入吸收材料以减小这种振荡的影响。

时域有限差分法（FDTD）能够方便地模拟各种复杂天线,包括结构复杂和各种加载的天线,并且通过一次计算即可获得宽频带内天线的频域特性,也可以形象地给出天线及其附近电磁波的辐射过程,了直观的物理依据[2,3]。

采用,。

423

加载的锥形振子面组成。

其中,振子位于镜像接地面之上并呈斜向展开,在天线振子臂上距离馈源一定距离处开始进行间隔均匀、阻值呈指数递增分布的电阻加载。

具体选取电阻加载的形式为:

R=Rminγ

（1）

其中,Rmin为开始处加载的电阻值,γ为可选的指数系数

x,x0是

l为位于镜像面2　探地雷达天线系统

2.1　天线模型

（a）分布电阻加载的变形TEM喇叭天线

探地雷达系统一般使用超宽带短脉冲信号,因而天线也应具有一定的带宽和方向性以及较好的保形性。

一般宽带天线在其末端处由于阻抗不连续,会形成一定的反射,从而引起发射波形的失真。

所以,探地雷达天线需要采用终端加入电阻来减少其反射。

到目前为止,只有几种类型的天线可以满足这种需要,如:

平面蝶形偶极天线,TEM喇叭天线及其变形和螺旋天线等[4～11]。

文献[4～5]采用FDTD分析了有屏蔽腔和电阻加载的蝶形天线,但这种天线在其末端仍然存在一定的反射,表明这种形式天线的带宽有限。

Delft大学[8]等研究机构给了阻容渐变加载的蝶形天线,这种天线比一般终端加入电阻的蝶形天线在辐射特性上有较大的改善,但因需加载的缝隙复杂,理论仿真比较困难,因此找出使天线性能最优化的参数是一个较困难的任务。

Lee等人[9]在平面天线末端加入三种不同形式的阻抗匹配卡（线性加载、平方加载和指数加载）,其结果

（b）正面　　　　　　（c）侧面

图1　分布电阻加载的探地雷达天线示意图

FDTD在分析电路的集总参数时,通常将其转

化为分布参数。

FDTD差分格式中的电场分量公式

修正如下所示[3]（这里,仅给出Ez分量的差分公式,其它电场分量与之类似;而磁场分量不需要进行修正）:

n+1

（i,j,k+）=

Ez（i,j,k++ΔtC+G2

可以较好地消除天线末端的反射,但这种阻抗连续

变化的R2cards难以加工实现。

本文给出了分布电阻加载的变形TEM喇叭天线,该天线可通过选择合适的电阻加载方式消除天线终端处的反射,从而具有较好的带宽和辐射特性,并且更加易于加工实现[11]。

所采用的探地雷达天线模型如图1（a）所示,图（b）和（c）分别给出了加入屏蔽腔和吸收材料之后的天线示意图。

变形TEM喇叭天线由镜像面和电阻

・

Δz+GΔzΔtC

（×Hn+1/2）z

（2）

ΔxΔy/Δz为FDTD网格内的集总电容;其中,C=ε

ΔxΔy/Δz=1/R为网格内的集总电导。

因此,G=σ

FDTD电场分量的差分格式可以通过设置其网格内

的ε和σ得到。

2.2　同轴激励

采用同轴网格与Yee网格的转换算法[12],

同轴

424电　波　科　学　学　报第21卷

线内采用电压、电流模型,因此在同轴线与Yee网

格的交界处有:

n+2

在探地雷达应用中,土壤一般是有耗媒质,而Berenger′sPML[14]只能吸收自由空间中传播的波,而不能很好地吸收有耗媒质中的凋落场。

因而采用能够用于有耗媒质的广义完全匹配吸收层-GPML[15]。

GPML吸收边界条件实质上是对Be2renger′sPML的推广,其比PML更加适用于有耗媒质中电磁场传播的计算。

（ia+,ja+,ka）=Hn-z

（ia+,ja+

Ex（ia+,ja+1,ka）-,ka）+

μ0Δy22

nV（ja）-Δxln（Δx/a）μ0Δxln（Δx/a）

（3）　　　En,ka）y（ia+1,ja+2

n+n+

I2（jt+）=Δz[Hx2（ia,ja+,ka+）-222

）2（　Hn+ia,,]x

22（+H,ja+,ka）-z22

3　3.1（,其中参数选取如下:

.;振子长度l=20cm,底面宽度10cm;接地板大小为30cm×24cm;振子与接地面的夹角为20°;电阻加载起始位置x0=4cm,电阻值Rmin=2.5Ω;振子臂上电阻加载的层数为15,其纵向间距

n+2z

（ia-,ja+,ka）]（4）

其中,a为同轴线半径。

式（3）和式（4）一起给出了描述同轴线口径处内外场之间的耦合。

其中,式（3）给出同轴线口径处电压对外部场的影响,而式（4）则给出口径外部场对同轴线内电流的影响。

2.3　吸收材料等效模型

在由收/发天线组成的探地雷达天线系统中,接收天线所接收到的信号主要由以下几部分组成:

收发天线之间的直接耦合信号（D）;地面直接反射回波（G）;地下目标反射回波信号（S）以及系统噪声和外部干扰信号。

一般而言,收发天线之间的直耦信号远大于地下目标的反射回波信号,即目标信号将淹没在直耦信号中,从而增加了目标信号的检测和识别的难度。

虽然可以采用后端信号处理方法消除直达波,但并不能从根本上提高系统的动态范围。

为减小收发天线之间的直耦信号以及外部射频信号等干扰信号的影响,一般需要对天线进行屏蔽处理。

但仅加入屏蔽腔会使天线的发射信号产生高频振荡,因此通常需在屏蔽腔内表面加入吸收材料来减小这种高频振荡的影响。

探地雷达系统要求其天线所用吸收材料具有较小的体积、较好的吸收性能以及合适的带宽。

虽然FDTD方法能够采用局部网格细化技术来模拟电磁波在吸收材料中的传播,但计算量相对较大。

因此,本文采用文献[13]的方法,通过在屏蔽腔内表面设置3个网格厚度的PML吸收层（反射系数为0.1）来模拟高性能的吸收材料。

2.4　吸收边界条件

为1cm。

在FDTD模拟计算中,选取空间步长为

0.5cm。

激励源信号为高斯脉冲微分形式

2ν（t）=ν-02

其中ν,0=2.5V,t0=0.667ns和τ=t0/4。

（5）

图2给出了单个天线在无屏蔽腔、仅加入屏蔽腔以及加入屏蔽腔和吸收材料三种不同情况下的时域辐射波形（观察点位于天线口面下方,距离馈源40cm）。

其中,屏蔽腔大小为30cm×24cm×20cm,吸收材料的厚度为3个网格。

由图中结果可以看出,仅加入屏蔽腔会使天线的发射波形产生振荡,从而影响系统的目标检测能力,加入吸收材料后将会在很大程度上消除这种振荡,其效果与所采用的吸收材料的性能有关。

同时,因加入吸收材料和屏蔽腔后,天线的方向性变窄（参见图3）,从而使天线正下方的辐射场变大。

图2　屏蔽腔和吸收材料对天线辐射场的影响

图3给出了加入吸收材料前后天线在E面和

第3期　　　　　　　　刘立业等:

具有屏蔽腔和吸波材料的探地雷达天线的FDTD

分析（观察点距馈源R=H面的下半空间“方向图”0.5m）,

这里给出的场强度为电场Ey分量的峰-峰

425

天线极化方向相同且位于收发天线中点处。

天线以

及屏蔽腔的参数如前所示,其中收发天线馈源间距25cm,天线口面离地高度为20cm。

整个计算区域采

值。

由图中结果可以看出,未加入屏蔽腔和吸收材料的天线在H面上具有较宽的方向图,易受外在障碍物和杂波信号的干扰;加入屏蔽腔和吸收材料之后,在H面上使天线具有更好的方向性,从而减小了天线的后向辐射以及外在干扰,而天线的在E面上方向性变化不大

。

用GPML

边界条件进行截断。

（a）

接收信号

（a）E

面

（b）媒质层面反射信号

（b）H面

图4　屏蔽腔和吸收材料对地下层状目标散射信号的影响

（---无屏蔽腔;———屏蔽腔和吸收材料）

图3　加入屏蔽腔前后天线的“方向图”

3.2　地下目标的散射信号

由上面的分析可知,屏蔽腔和吸收材料将使天线的方向图变窄,对于H面尤为明显。

因此对于由收发天线组成的探地雷达天线系统而言,加入屏蔽腔后会使收发天线有效照射区域的交集变小,从而影响地下目标的散射信号。

下面将分析屏蔽腔对地下层状目标和一般目标散射信号的影响。

计算中,假设媒质为无限大的均匀有耗媒质,其介电常数模

ω）=εε型选取为ε/jωr（r+σ0,并假定媒质交界面为无限大水平面。

图4给出了加入屏蔽腔前后,接收天线所接收到的信号以及相应的去除直耦信号后的多层媒质的反

射信号。

其中,地下媒质第一层介电参数为εr=4.0和σ=0.005S/m,厚度为20cm;第二层媒质介电参数为ε图5给出了地下媒质为r=8.0和σ=0.02S/m。

εσ=0.02S/m）,目标无限大的均匀有耗媒质（r=4.0,为10×30cm2、埋深20cm金属平板的散射,其轴线与

　　从图中结果可知,采用指数变化的分布电阻加

载的变形TEM喇叭天线能够实现地下媒质层面和地下目标的检测。

其中无屏蔽腔时接收信号存在较大的直耦信号;加入屏蔽腔和吸收材料后可以较好地抑制收发天线之间的直耦信号,但因为加入屏蔽腔后收发天线照射区域的重叠部分变小,因此目标信号也随之变小。

由图（4）可知,对于路面层面检测而言,天线屏蔽前直耦信号（D）、第一层媒质界面反射信号（G1）和第二层媒质界面反射信号（G2）的比例关系为D:

G1:

G2=1:

0.727:

0.316;加入屏蔽腔和吸收材料后,其关系变为D:

G1:

G2=1:

1.383:

0.679。

由图（5）可知,加入屏蔽腔前直达波（D+G）目标信号（S）之比为|D+G|/|S|=2.23;加入屏蔽腔后其关系为1.61。

对收发天线进行屏蔽可在一定程度上提高了系统的信杂比和动态范围,从而更加有利于地下目标的检测以及介质分层。

同时,为使目标信号增加,可以加大馈源端的距离,减小天线口面间的距离,即使收发天线按一定角度倾斜放置。

426电　波　科　学　学　报

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第21

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图5　屏蔽腔和吸收材料对地下目标散射信号的影响

（---无屏蔽腔;———屏蔽腔和吸收材料）

4　结论

给出了一种可用于无载频脉冲体制探地雷达系

统的天线,采用FDTD方法分析了具有屏蔽腔和吸收材料的探地雷达天线的辐射特性,并且给出了屏蔽腔和吸收材料对地下层状目标以及地下目标散射信号的影响。

计算结果表明:

（1）分布电阻加载的TEM变形喇叭天线具有较好的辐射波形,因此可用于地下目标的检测和介质分层;

（2）收发天线间存在较大的直耦信号,屏蔽腔虽可提高天线的隔离度,但会使天线发射信号产生高频振荡,而性能较好的吸收材料可以在一定程度上消除这种振荡的影响。

因此具有屏蔽腔和吸收材料的天线可减小直耦信号和外部干扰信号的影响,从而提高系统的信噪比和动态范围;（3）加大馈源端的距离,减小天线口面间的距离,即收发天线按一定角度倾斜放置。

这种方式在减小收发天线之间的直耦信号的同时也增大收发天线之间的辐射和接收的重叠区域,从而提高系统的信杂比。

虽然采用PML吸收网格来代替实际的吸收材料,但对于实际探地雷达天线具有理论上的指导意义。

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427

　　刘立业　（1976-）,男,山东

人,国防科技大学电子科学与工程学院博士生,主要研究方向包括地下目标的电磁散射特性分析及数据解译等

。

粟　毅　（1961-）,男,山东人,,主要研究方、遥感信息处理和目标识别等

。

毛钧杰　（1943-）,男,湖南人,国防科技大学电子科学与工程学院教授,博士生导师,主要从事雷达、微波毫米波技术与天线方面的研究和教学工作。

（上接第385页）

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　　李高鹏　（1976-）,男,湖北人,哈尔滨工业大学信息与通信工程专业博士生,主要研究方向为高频雷达空间干扰的抑制技术。

李　雷　（1980-）,男,辽宁人,哈尔滨工业大学信息与通信工程博士生,研究方向为高频雷达干扰抑制技术

。

许荣庆　（1958-）,男,黑龙江人,哈尔滨工业大学电子工程技术研究所,教授,博士导师,主要从事新体制雷达系统技术,雷达成像技术和现代信号处理技术研究。

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