探地雷达是利用高频电磁波探测地下或结构体内部情况的一种无损检测技术,是当前隧道超前预报、桥隧质量检测、地下管线、地下工事及其他隐蔽目标探测的主要手段,在桥隧建设及维护的全过程中发挥着重要作用。探地雷达主要由雷达主机和天线组成,其中天线对系统规模及探测灵敏度起着至关重要的作用^[1-8]。为实现技术上对雷达天线的宽带化和工程上的小型化要求,早期探地雷达天线均采用电阻加载,随着各种轻质复合材料的出现,吸波材料逐渐得到了广泛应用。由于探地雷达天线属于超宽带天线,相对工作带宽一般在一个倍频程以上,带内辐射效率、增益直接关系到系统探测灵敏度和探测深度,收发天线的波形保真度与回波信号的分析、目标信号及系统固有噪声的判别密切相关,而吸波材料在展宽天线频带、吸收系统固有噪声和杂波干扰的同时会使得辐射效率、增益下降,天线的加载需要综合考虑增益、带宽、波形保真度等诸多相互牵制和存在矛盾的因素^[9-14]。重加载虽然能够较好吸收系统噪声及干扰杂波、系统震荡或失配等产生的固定波、目标重影等虚假信号,呈现较为纯净的雷达图像,同时也会吸收深层微弱目标信号,降低系统探测灵敏度,轻加载或加载不当可能导致雷达图像呈现较高的噪声、较多的固定波和干扰杂波,使得深层目标的微弱回波信号识别难度增大,因此吸波材料电磁特性选取及其加载方式便成了探地雷达天线设计中的重点和难点^[15-18]。

相较于常规雷达隐身及电磁屏蔽,探地雷达系统对吸波材料的要求更加苛刻,吸波材料在桥隧检测探地雷达天线中的作用主要体现在以下几方面。

1)消除多次波:当电磁波遇到天线周围的金属屏蔽壳时,会发生全反射,形成多次波或多径效应,在进行时域回波分析时会造成虚假目标或恒定背景干扰,影响雷达图像的质量和地下目标的精确探测。吸波材料可以吸收这些反射回来的多次波,降低辐射波形的振铃效应(即强烈的高频振荡),提高信号的纯净度和探测深度。

2)扩展天线频带:当前主流脉冲体制探地雷达系统属于时域超宽带雷达系统,天线相对带宽一般要求100%以上,用于辐射和接收信号的天线因受工程应用平台限制和便携性要求的约束,天线尺寸往往受到明显的限制,工作频带的下限属于电小天线,辐射电阻较小且电抗波动较大,与收发机之间存在阻抗匹配困难的问题,将吸波材料作为负载进行天线近场加载,可以扩展其低频匹配性能,提高系统效率,同时提升辐射信号的保真度。这也是吸波材料在探地雷达系统应用中与雷达隐身、电磁屏蔽之间最大的差别。

3)改善信号质量:通过吸收杂散信号和环境干扰,吸波材料有助于提升雷达信号的信噪比(SNR),使得探地雷达图像更加清晰、准确,提高对地下目标的识别和定位能力。

基于上述的特殊需求,和诸多因素之间相互牵制的现状,探地雷达吸波材料类型的选取、电磁参数的确定、以及在天线系统中的加载方式需要精心设计与调试。

本文对吸波材料在探地雷达系统中的工作机理进行了详细分析,并根据分析所得规律使用CST进行了多层泡棉复合吸波材料加载的探地雷达天线系统仿真与优化。优化过程中结合某型吸波材料电磁参数测试数据,进行透波层、渐变层、吸收层设置,并进行了多种排布方式的仿真与比较,最终优化得到的天线辐射效率高、波形保真度好,通过系统探测仿真得到的单道波形曲线进一步对优化结果的有效性进行了验证。

探地雷达系统中的吸波材料一般位于天线与屏蔽壳之间,用于吸收天线振子背向辐射,以及天线振子与屏蔽壳体之间的振荡波。

当入射波射到材料表面时,将有一部分电磁波被反射,一部分被衰减,其余的电磁波会透过材料。电磁波在材料内部的传输是一个较为复杂的过程,一般要经过多次反射,其传输路径伴随有介电损耗、磁损耗。从宏观角度可以把电磁波与吸波材料之间的相互作用归纳为3个部分,即反射波、透射波和电磁损耗,可以用下式表示^[1]:

式中:T为功率传输系数,R为功率反射系数,A为衰减系数。

为最大可能地进行电磁波的吸收,吸波材料需要满足如下两条基本要求:

1)入射电磁波最大限度地进入材料内部,而不是在其表面就被反射,即要求在材料入射表面处阻抗匹配;

2)进入吸波材料内部的电磁波能够迅速被吸收衰减,即要求材料内部有很好的衰减特性。

基于上述要求,在探地雷达天线所用吸波材料设计中需要设置透波层和吸收层,本文结合工程实际在某型探地雷达天线设计中通过使用不同电磁参数的吸波材料充当透波层、渐变层、吸收层,使得位于天线振子与屏蔽壳体之间的非必要电磁波被高效吸收。多层泡棉复合吸波材料的排列方式如图1所示,图中ε_i、μ_i分别表示该区域材料的介电常数和磁导率。

吸波材料对电磁波的反射率大小与界面两边的介电常数ε、磁导率μ密切相关,假设电磁波由材料m入射到材料n,其界面反射系数可以由式(2)定量计算^[1]:

式中:εm、εn、μm、μn分别表示第m、n层材料的介电常数与磁导率;Z为材料磁导率与介电常数比值的平方根,被称为材料的“波阻抗”,Zm、Zn表示第m、n层材料的波阻抗。介电常数和磁导率均为复数,可表示如下^[2]:

式中:ε'、ε″分别表示材料介电常数的实部和虚部;μ'、μ″表示磁导率的实部与虚部。由式(2)可知,界面两边材料的电磁参数差异越大,反射率越大,穿过界面进入材料内部的电磁波将越少。不同材料的波阻抗很难做到完全一致,因此只要有异质材料界面,就一定会存在电磁波反射。为了尽可能的降低材料界面反射,需要力争使各层材料的特性阻抗尽量接近自由空间波阻抗。

当电磁波入射到材料界面后,未被反射的部分将穿过界面进入材料内部,在传播的过程中将进一步在材料内部衰减。随着电磁波深入材料的内部,其能量和电磁波传输的距离则呈现出指数型衰减,如式(5)所示^[2]:

式中:E₀为电场振幅;γ为传播常数;z是沿传播方向行进的距离;ω是电磁波的角频率;t是时间参量。式(5)表明,材料内电磁波的传播常数γ和传输距离z直接决定了电磁波的衰减行为。对于实际材料来说,传播距离z体现为材料的厚度,而传播常数则是材料自身性质的体现,由材料介电常数和磁导率共同决定。传播常数的实部α和虚部β可分别由式(6)确定^[3]:

从式(7)、(8)可以看出,当且仅当材料的介电常数虚部ε″和磁导率虚部μ″均为0时,传播常数的实部α为0,此时电磁波在介质材料内部传播时只会产生速度变化,而不会被衰减。因此,ε″和μ″是影响吸波材料对电磁波衰减的两个重要参量,分别表征着介质材料对电磁波的介电损耗能力和磁损耗能力。

本节结合某工程应用,对已完成初步设计的某型探地雷达收发天线进行多层泡棉复合吸波材料的加载,对不同加载方式的天线进行波形保真度、增益、端口阻抗匹配等参数比较,并结合实际应用场景进行发射天线、接收天线、探测场景及目标物的系统级建模,通过比较天线在不同加载方式下接收到的回波信号,进行吸波材料加载方式的研究。

天线为带有金属屏蔽壳的平面偶极子天线,收发天线并排放置,如图2a所示,系统模型如图2b所示。收发天线紧贴放置于地面上方h=0.5 m处(这一高度的选择是基于当前车载探测系统对雷达系统的安装需求),大地模型由3层介质组成,层厚d₁、d₂、d₃分别为1 m、2 m、1 m,在第二层中间放置一块0.5 m×0.5 m的金属板充当待检测目标。结合一般大地实际情况,3层介质(从上到下)的介电常数ε_r1 、ε_r2 、ε_r3分别为7、13、18,电导率σ₁、σ₂、σ₃分别为0.000 1、0.005、0.1 S/m。

仿真模型中吸波材料电磁参数使用实际泡棉吸波材料测试数值。基于探地雷达系统对多层泡棉吸波材料的渐变需求和工程实施的便利性,本文在天线设计中使用了3种材料,其相对介电常数实部和损耗角正切测试曲线如图3a、b所示 其中L1、L2、L3用于区分3种吸波材料。从图中曲线可以看出,L1层的介电常数最小且接近于空气介电常数,其损耗角正切值也最小,L3层的介电常数最大,损耗角正切值也最高,通过前面的分析可知L1、L2、L3分别适合充当匹配层、渐变层和吸收层。

考虑实际工程中天线加工及安装的便利性,本文的研究中吸波材料排布方式采取如下3种情况:①平行振子竖向分层(JDMCY),即吸波材料平行于天线振子板及屏蔽壳顶部,并在垂直方向分层放置;②垂直振子水平分层(CF_V),即吸波材料垂直于天线振子及屏蔽壳顶部,并在水平方向分层放置;③平行振子向两侧渐变分布(CF),即吸波材料垂直于天线振子,从天线中心向两侧分层放置,分别如图4a~c所示。各种排布方式中,吸波材料被等分成6份,填满屏蔽壳内部。

几种排布方式下天线端口驻波比仿真曲线如图5所示,图中JDMCY_L123321表示按照图4a自下而上按照L1、L2、L3、L3、L2、L1的次序放置吸波材料,CF_L321123表示按照图4c方式排列,CF_V_L321123表示按照图4b方式排列吸波材料。从驻波比曲线来看CF_V_L321123与JDMCY_L123321排列方式端口匹配最好,JDMCY_L321123匹配最差。

图6为工作频带内天线的增益曲线,从该图看,JDMCY_L112233与JDMCY_L123321增益较高,CF_V_L321123增益最低。图7为天线正前方1.5 m处电场监测曲线,从该曲线来看,JDMCY_L123321方式在幅度和拖尾方面都较好,与仿真中所用的0.05~1 GHz的高斯脉冲激励相比较,波形保真度最高。从驻波比、增益、波形保真度来看,JDMCY_L123321方式虽然不是增益最高的,但整体来说相对最好。

图8为系统仿真中几种加载方式下接收天线端口电压曲线,仿真中使用了实际发射机测试波形作为激励,图中marker 4处的峰值为直耦波,marker 1为地面与空气交界面处的反射波,marker 2为第一、二层地面交界面处的反射波,marker 3为地下2 m处的金属板反射波,也是该模型中设置的探测目标。从图中曲线来看,几种方式的加载都能收到明显的目标回波,CF_L321123方式幅度最高,但在直耦波与地面反射波之间的拖尾较重,JDMCY_L112233幅度最小,目标的细节显示不明显,总体来看还是JDMCY_L123321方式较好,拖尾较小且各典型目标处的信息显示比较充分,目标回波也相对较强。

将本文设计的天线搭载LTD-2600探地雷达主机平台进行实地测试,测试点选在某已知存在地层差异的场地进行,测试中发射机采用中心频率为150 MHz的高斯脉冲源,通过等效取样接收机获取回波信号。为比较离地高度对天线测试性能的影响,测试中选取了贴地测试与架空测试,天线测试状态照片如图9所示,其中架空测试中分别进行了天线底部离地h=30、60 cm两种状态(天线下方采用介电常数与空气接近的泡沫材料支撑),测试结果分别如图10a、b、c所示。从图10a可以清楚地看到地面反射波位置在12.5 ns处,在125 ns深度处存在明显的地层差异;从图10b、c的架空测试图可以看出,随着天线的抬高,目标层位分别下移约2、4 ns,目标层位较贴地状态有所劣化,同时背景噪声增加,但目标层位依然清晰可见,系统设置的介电常数为9,可计算得知该目标层位于地下5.6 m处。

1)探地雷达天线的设计是诸多因素综合的结果,吸波材料对于提高大天线的探测精度、深度以及整体性能至关重要,吸波材料的类型、电参数以及材料的加载方式对探地雷达系统的性能影响极为重要,为得到纯净的探地雷达回波图像,需要根据雷达工作频段进行吸波材料类型的选取,并结合天线形式及典型应用场景进行系统电磁仿真分析,从而确定有效空间下吸波材料的最佳排布方式。

2)结合电磁仿真和工程应用实际,在进行电性吸波材料加载时,一般可采取3种左右的均匀吸波材料通过特定排布,构建透波区、渐变区、吸收区,以便在提升系统探测灵敏度的同时达到宽频带范围内的杂波吸收。

3)通过文中对3种加载方式的总体比较来看,在平行振子竖向分层(JDMCY)的加载方式下,辐射信号的保真度较高、拖尾小,且带内增益相对适宜,且在系统仿真中的单道波形相对纯净。

4)从本文仿真和实测结果来看,在进行探地雷达天线吸波材料加载时,可将重吸收层设置在天线振子与屏蔽壳中间区域,在紧贴天线振子和屏蔽壳的区域设置透波层,并在透波层与重吸收层之间增加渐变过渡层。

5)使用本文提出的加载方式设计的带有屏蔽壳的平板型偶极天线搭载LTD-2600探地雷达主机可有效进行地下目标探测,本文所述设计方法及结果可直接应用于探地雷达天线工程,为隧道超前预报、桥隧质量检测及地下目标探测用雷达天线的设计与工程实践提供有效指导。