自适应单轨多幅探地雷达设计

赵一豪，雷帅帅，张 照，施兴华

（1.西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071；2.中国电子科技集团第二十二研究所，山东 青岛 266107）

0 引 言

近年来，由于探地雷达系统具有无耗的穿透检查和探测能力，被广泛应用于生命搜救、扫雷、地质勘探、地质检测、道路灾害监测、层析成像等各个领域。

常用探地雷达工作机理如下：由雷达主机通过射频系统发射模块激励发射天线产生发射电磁波，电磁波穿透地质经过分界面反射或者埋藏目标散射后形成回波，由接收天线接收回波信号，提取其中的时延、幅度和相位等有用信息来获取雷达当前探测点可探测区域探测对象的数据。

传统的探地雷达采用单发单收的工作模式，往往无法获取准确的地质模型参数，只能依赖粗略的地质数据或者调用离线数据库参数进行处理，而实际的地质情形复杂，其参数在小范围内就有可能呈现剧烈的变换，会导致这种依赖粗略的地质数据或者离线数据库的处理方式具有很大的误差和不确定性，进而使处理获取的目标信息存在很大的误差。当面临探测深度方向分层地质参数变化较大的情况，由于顶层媒质的覆盖和不可预见性，会造成更大的测试误差，甚至错误。此外，单发单收的工作模式无法借助多个收发数据进行聚焦，使得测试的数据仅具有距离维的信息，为了获取三维信息，需要在经纬度两个方向上进行网格式的交叉反复测试，大大降低了测试的效率。因此迫切需要发展高精度、高效率的探地雷达测试技术。

1 探地雷达研究

针对现有技术存在的问题，本文提出了一种基于阵列天线的自适应单轨多幅探地雷达。其结构如图1所示，包括阵列天线、切换开关及雷达主机。阵列天线包含多个天线单元并通过馈电网络与所述的切换开关网络相连。开关网络后端与雷达主机相连。开关网络包含有单刀多掷切换开关和双刀双掷收发通道选择切换开关。其中两组单刀多掷切换开关可以使收发单元对在某一瞬时选通上下阵列的任意单元对，从而使雷达系统先后工作于地质探测学习和目标探测过程。

图1 基于阵列天线的自适应单轨多幅探地雷达构成图

1.1 地质参数探测原理

如图2所示，在某一时刻假设发射通道被选中为阵列中的某一个天线单元，接收单元被选中为图2左侧的接收单元。根据麦克斯韦方程组，电磁波的幅度和相位与收发天线链路中的地质参数大致满足如下关系：

图2 单发多收地质参数探测示意图

其中：

因此在收发链路给定的情况下，接收信号与发射信号的比值可视为双端口网络的参数：

式中：可视为收发链路基准参数，内含天线的增益及基本收发参数。

假设下一时刻借助开关将接收信号切换到右边天线，同样可以获得双端口参数：

此时将式（4）和式（5）相除可以获得差分公式：

其中的衰减比例参数为e，相位滞后参数为e。因此在Δ-Δ已知的情形下，就可得对应的衰减因子和相移参数，再由式（2）可以得到′,″以及介电参数ε和电导率。

从上述过程可以看出，由天线收发系统等参数决定的构成复杂，包含了天线的发射、地面的反射等多种因素，实际工程中很难精确的直接获取。

从图2电磁波在地质中的传播链路可以看出，对于不同的收发间距，电磁波传播路径沿地层方向的穿透深度是不同的。因此如果只借助单一的单发双收，获取的土壤参数对应于某一个特定的深度。因此本设计基于单刀多掷开关可以借助开关在不同的收发间距间切换，双刀双掷开关可以使收发状态在左右子阵间对换，从而实现收发在阵列所覆盖范围上的任何两个天线单元之间切换，此时组合成为不同的探测位置和探测间距，可以获得不同位置、不同深度参数的探测能力，用于后续的雷达目标测试可以更加准确地获得目标的距离信息等参数反演。

1.2 探地雷达目标探测

下面以单发双收为基础介绍目标探测过程，再将其拓展到多发多收的情形。如图3所示：在某一瞬时假设发射通道被选中为中间的一个天线单元，接收通道被选中为左侧的接收通道，当空间一点存在散射体时，从发射到接收到散射体的脉冲将具有明显的时延，假设时延为Δ。根据电波传播路径可以知道，此时的目标位置(,,)位于以收、发天线相位中心为双焦点的半椭球形区域上，椭球方程为：

图3 目标聚焦原理示意图

其中()和()为收发天线的位置坐标。

可以看出单一的收发天线对在单次测量中无法确定散射体目标的准确位置，常规的做法是默认散射体位置为收发中间垂线和上述式（8）对应的椭球体交点上。

本设计采用阵列天线，允许分时切换。即雷达不动的情形下，可通过快速切换使接收天线位于另一侧的接收点位上，此时的数据可以构建如图3所示另一个散射体目标的椭球方程。根据两组椭球方程的交线就可以确定目标在阵列所处测试推进线对应的平面上的精确位置(,)，这一过程为单发双收的聚焦过程。考虑到测试参数的误差，采用多组收发数据可以更加精确地聚焦目标所在的位置。当探测雷达在巡线上移动时，借助两个移动点位上的多组椭球方程，即可以确定目标的三维坐标。

从上述过程可以看出，一方面，阵列天线提供了单发单收难以得到的聚焦和三维坐标。另一方面公式（10）中所用的v=2π通过地质参数探测学习过程得到，这一参数单发单收雷达也无法获取。以上两方面充分说明了本设计对探测精度的提升。

1.3 分时复用效率比对

图4给出了进行指定区域测试时，单发单收所需要的巡线轨迹。可以看出为了覆盖所需的测试区域，需要进行反复的多组来回测试，而采用阵列之后，如图5所示，基于阵列的开关切换，可以在轨道的单次测试中覆盖对应于单发单收的多幅测试范围，成倍提升了测试效率。在本设计对应的测试过程中借助式（6）的差分操作消除了这一因素的影响。这一方法单发单收的雷达无法做到，体现了本设计单发多收的优势。

图4 传统单发单收雷达巡线探测示意图

图5 基于阵列天线的自适应单轨多幅探地雷达的巡线探测示意图

2 仿真结果分析

图6的仿真结果给出了单发双收雷达虚拟经过4种不同地层参数借助上述算法获得的介电参数和导电率参数，可以看出在巡线探测过程中，系统可以相对准确地获得地层的参数。

图6 参数反演仿真结果

图7为收发间距与探测深度仿真结果图，可以看出，探测深度随收发间距变化，验证了本文所提设计策略的正确性。

图7 收发间距与探测深度场仿真图

3 结 语

由于当前探地雷达误差和不确定性大的现状，本文提出了一种基于阵列天线的自适应多幅探地雷达。在分析传统探地雷达工作原理的基础上，阐明了单发单收的局限性，然后分析了新型探地雷达的结构及工作原理，即利用切换开关使得任意阵列天线单元对处于发射和接收状态。本文阐述了基于分时数据联合处理实现了单轨移动情形下多幅度、高精度地质参数学习及相应的自适应目标探测的原理和聚焦原理，并对参数学习和探测深度进行了仿真分析，结果符合预期。得益于地质参数学习和收发间距切换，本文所提的探地雷达相较于传统探地雷达大大提升了探测精度和探测效率。下一步将重点进行该系统的工程化实现。