宽带脉冲信号探地雷达用阻抗匹配器制造技术

本发明专利技术涉及一种宽带脉冲信号探地雷达用阻抗匹配器。该宽带脉冲信号探地雷达用阻抗匹配器，包括发射天线、接收天线，土壤区域的上方有介质平板，介质平板为介电常数渐变的多层，形成宽带脉冲信号探地雷达的分层介质加载阻抗匹配器。本发明专利技术在空气和土壤之间实现较好的阻抗渐变，从而减少地面对电磁波的反射，增加进入地下的信号能量，提高地下目标回波的信杂比，大大提高雷达系统对地下目标的检测范围和检测概率。采用多层介质平板能简化本发明专利技术的加工过程，降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种宽带脉冲信号探地雷达用阻抗匹配器。
技术介绍
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，主要应用于公路、桥梁、隧道、建筑和矿井的无损检测，地质勘探与研究，以及地下管线、地雷、未爆炸军火(UXO)等各种金属和非金属目标的检测、定位和识别等。在这些应用中，由于天线所在的空间与地面之间的阻抗不连续，使得电磁波由天线馈入地下的传输过程中，在地表面引起了较大的能量反射，造成进入地下的电磁波能量减少，而且地面反射回波会对地下浅层目标回波造成干扰。目前已有的技术和信号处理方法虽然可以减小或者消除地面直接反射杂波，但却不能够有效提高进入地下的电磁波能量。探地雷达应用中，探测方式一般是将天线置于地面之上，向土壤中发射电磁波并接收地下目标的反射回波。探地雷达的天线阻抗一般与空气阻抗相匹配，而空气与地面之间阻抗是突变的，故这种探测方式会产生较大的地面反射信号。根据电磁波反射理论，假设地面的相对介电常数εr＝5，则在电磁场垂直入射情况下，由于地面和空气阻抗不匹配而引起的功率反射系数为14.6％，即只有85.4％的有效能量进入土壤中。为减少地面反射杂波的影响，提高雷达系统的效用比，需要在空气和土壤之间实现较好的阻抗渐变。对于单频系统和水平地面，在地面上方加入一介质平板来实现空气和土壤之间的阻抗变换。但实际探地雷达发射的往往是宽带脉冲信号，采用一层介质板仍然会引起较大的反射。如果采用阻抗连续变化的介质，虽然可以较好地实现空气和地面间的阻抗匹配，但这样的介质较难加工。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提供一种能减少地面反射杂波，大大提高雷达系统对地下目标的检测范围和检测概率的宽带脉冲信号探地雷达用阻抗匹配器。解决本专利技术技术问题所采用的技术方案是该宽带脉冲信号探地雷达用阻抗匹配器，包括发射天线、接收天线，在土壤区域的上方有介质平板，介质平板为介电常数渐变的多层，形成宽带脉冲信号探地雷达的分层介质加载阻抗匹配器。本专利技术能在空气和土壤之间实现较好的阻抗渐变，从而减少地面对电磁波的反射，增加进入地下的信号能量，提高地下目标回波的信杂比。采用多层介质平板能简化本专利技术的加工过程，降低生产成本。附图说明以下结合实施例附图，对本专利技术作进一步的详细描述。图1为本专利技术的结构示意2a为入射脉冲波形的时域形式2b为入射脉冲波形的频域归一化形式3为图2所示脉冲入射，且无介质平板4加载和有介质平板4加载的情况下，土壤上方观察点7处信号的时域形式4为图2所示脉冲入射，无介质平板4加载和有介质平板4加载的情况下，土壤区域5中观察点8处的信号形式5a为图2所示的脉冲入射且无介质平板4加载的情况下，地下目标6散射信号的剖面5b为图2所示的脉冲入射且无介质平板4加载的情况下，地下目标6散射信号剖面扫描图中点处(x＝0.6m)的单道散射信号波形6a为图2所示的脉冲入射且有介质平板4加载的情况下，地下目标6散射信号的剖面6b为图2所示的脉冲入射且有介质平板4加载的情况下，地下目标6散射信号剖面扫描图中点处(x＝0.6m)的单道散射信号波形中1-发射天线 2-接收天线 3-空气区域 4-介质平板 5-土壤区域 6-地下目标 7、8-观察点具体实施方式为了使探地雷达系统发射的能量尽可能地耦合到地下，提高系统的效率，本专利技术提供一种探地雷达分层介质加载的阻抗匹配器，在很大程度上可以减少地面的反射波，有利于地下目标的检测和识别。本专利技术包括发射天线1、接收天线2，土壤区域5的上方有介质平板4，介质平板4有多层。由传输线的理论可知，对于实际厚度为d无限大的介质平板4，其转移矩阵为Mn=xiZcn*1-x2i1-x2/Zcnx---(1)]]> 其中，x为模值小于1的变量；对于水平极化，有Zcn＝Zncosθn；对于垂直极化，则有Zcn＝Zn/cosθn，Zn=μ0ϵn]]>为介质的特征阻抗，μ0为自由空间中的磁导率，εn为各层介质平板的介电常数；θn为电磁波在第n层介质中的入射角，且其与电磁波对整个介质平板4的入射角θ0之间的关系为ϵ0sinθ0=ϵnsinθn.]]>所以对于需要在空气区域3和土壤区域5之间的进行阻抗变换N层介质平板4，其转移矩阵为M=M1*M2*Λ*MN=ABCD---(2)]]>其中，A、B、C、D为转移矩阵中的元素。所以，电磁波由空气区域3经过多层介质平板4到土壤区域5的功率透过系数W满足下式1|W|2=ZcN+14Zc0|(A+Zc0ZcN+1D)+(BZcN+1+Zc0C)|2---(3)]]>令功率透过系数W在系统工作频带内满足切比雪夫多项式形式1|W|2=1+h2TN2(xP)--(|xP|≤1)---(4)]]>其中，P=1ch(1Nch-1(1-r2hr)),]]>r=ZcN+1Zc0;]]>h=|Γ|max21-|Γ|max2,]]>|Γ|max2为在所需要的频带内的最大功率反射系数。如果令公式(3)和公式(4)中关于x的各阶系数相等，可以得到关于未知数Zcn(n＝1，2，Λ，N)的N个方程，通过求解该N维N阶的非线性方程组且Zcn＜1就可获得各层介质板的介电常数εn。因为各层介质平板4的等效电厚度dn′=dnϵrn-sin2θ0]]>为 (λ0为中心频率所对应的波长；n＝1，2，Λ，N；m为奇数)，从而其实际厚度为dn=mλ04ϵrn-sin2θ0---(5)]]>因为|xP|≤1,]]>所以当xP=-1]]>时，对应的频带上限频率为f1=2f0arccosPπ;]]>当xP=1]]>时，所对应的下限频率为f2=2f0(π-arccosP)π.]]>这样，就可以得到|Γ|max2不超过允许值的工作带宽为Δff0=2(f1-f2)f1+f2=2-4πarccosP---(6)]]>在探地雷达应用中，因为空气阻抗Zc0和土壤阻抗ZcN+1已知，所以可以根据实际的发射系统工作频带和带内最大反射系数选取所需要的介质平板4的层数N。利用公式(3)、公式(4)求解N维非线性方程组就可以得到各层介质平板4的相对介电常数，再由公式(5)可得到各层介质平板4的实际厚度。每层介质平板4的介电常数从上往下依次增大；每层介质平板4的电厚度为所选信号中心波长四分之一的奇数倍，相应的实际厚度根据公式(5)进行选取。图1为本专利技术的结构示意图。其中1为发射天线，2为接收天线，3为空气区域，介电常数为ε0，4为介质平板，其介电常数由上而下依次为ε1，ε2，…εN；5为土壤区域，其介电常数为εN+1；6为地下异常体；7为位于地面上方28cm处的观察点；8为位于地下1cm处的观本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽带脉冲信号探地雷达用阻抗匹配器，包括发射天线（１）、接收天线（２），其特征在于该阻抗匹配器在土壤区域（５）的上方有介质平板（４），介质平板（４）为介电常数渐变的多层，形成宽带脉冲信号探地雷达的分层介质加载阻抗匹配器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：粟毅，黄春琳，刘立业，
申请(专利权)人：粟毅，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]