一种能抑制探地雷达直达波干扰的磁接收阵元及组阵方法与流程

本发明涉及天线技术领域，主要涉及接收阵元及组阵方法，特别涉及一种能抑制探地雷达直达波干扰的磁接收阵元及组阵方法。

背景技术：

探地雷达(groundpenetratingradar,gpr)利用电磁波在介质不连续处产生反射和散射现象来实现对地下一定深度处目标进行有效识别定位，具有检测速度快、过程连续、成像清晰度高，可无损检测等特点，因而近几年在工程、地质勘探、军事等领域得到了广泛应用。探地雷达的天线设计是一项关键技术，其优劣制约了探地雷达性能。

从纯天线的角度看，探地雷达天线必须具有超宽带(uwb,ultra-wideband)特性，研究人员已经提出了各种构形的超宽带天线。其中，比较典型的超宽带天线有对数偶极子天线、领结型天线、对数螺旋天线等，它们均属于电天线范畴。另外，在天线设计过程中还应该考虑到各种因素的影响，比如天线方向性、阻抗匹配、天线传导损耗以及耦合噪声的干扰。

把天线放在探地雷达系统整体来考虑，天线如何抑制直达波干扰是一个重要难题。其它用途的雷达探测距离不可能限定在数百米之内，因此可采用收发转换开关来切换发信号和收信号，而且收发共用一付天线，从而有效避开雷达发射产生的直达波干扰同时被接收的问题。而探地雷达则不同，雷达探测范围就限定在零到数百米之内，若采用收发共用的天线架构，由于收发转换开关的切换需要时间开销，而这种时间开销内的回波无法接收，等效为数百米内的目标回波接收不到，也就实现不了探地雷达的功能。因此，探地雷达必须采用收发各自独立的天线，保证发信号的同时，一直在接收信号。收发天线同时工作，接收天线所收到的回波信号中必然包含强直达波干扰。强直达波干扰必然制约探地雷达性能，比如，要采用更高动态范围和更高分辨率的采样模块；发射功率不能够太大，防止损坏接收通道；另外，随着采样分辨率的增加，处理的数据量会大幅增加。这些，都制约了探地雷达性能的提高。

目前，探地雷达多数采用的是电天线，可以满足尺寸小、超宽带的要求，且收发天线一致，有利于工程实现。磁性天线的方向性图有很深零点，可以通过调整磁性天线的方向来抑制干扰信号，但目前的磁性天线存在只能工作于窄带、工作频率不高等缺点，设计制作宽频带的磁性天线及工作于更高频段是一个新的研究方向，也是难点所在。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术不足，本发明提出了一种能抑制探地雷达直达波干扰的磁接收阵元及组阵方法，磁接收阵元具有很强的方向性零点，通过改进，在保持强的方向性零点特性基础上，使其工作在较高频段和具备较好的工作带宽，以满足探地雷达接收回波的需要。本发明的另一目的是提供基于磁接收阵元组阵方法，以满足超宽带接收的要求，并实现对探地雷达直达波的抑制。

技术方案：本发明所述一种探地雷达直达波磁接收阵元，包括可组合填充不同特性磁性材料的磁性介质填充体、线圈绕组以及阻抗变换单元，线圈绕组围绕在磁性介质填充体上，线圈绕组的输出连接到阻抗变换单元输入端，阻抗变换单元输出端是阵元接收信号的输出。阵元构型的一致性，便于模块化的设计，易于作为构成阵列的阵元使用。

磁性介质填充体为圆柱体，内嵌有三个小的圆柱体为磁性材料的填充体，呈等边三角形分布，三个小的圆柱体可分别填充相同或不同特性的磁性介质材料。通过选择不同特性磁性介质材料的组合，使得阵元工作频段和工作的带宽发生改变。可供选择的不同磁性介质材料相对导磁率分别为2、5、10、20、50、100、200。相对导磁率越高，更利于接收低频段的信号；所填充的不同磁性介质材料的相对导磁率差别越大，其工作的带宽会越宽。

线圈绕组可改变圈数、圈与圈之间的间距，线圈可在介质填充体上滑动。圈数增多，工作频率变低；圈数少，工作频率升高；圈与圈之间的间距增加，工作频率升高；线圈越往介质填充体两端滑动，工作频率升高，带宽相对变窄。制作线圈绕组的线为多股软铜线。相比较单股铜线，工作带宽得到进一步提升。线圈绕组的输出端连接一可变电阻和可变电容。通过改变可变电阻的阻值可以调整接收信号的带宽，通过改变可变电容的容值可以调整接收信号的中心频率点，两者增强了组阵时的灵活性。阻抗变换单元由射随电路构成，射随电路可主要由三极管构成，三极管可采用高频2sc3356三极管或等效器件；射随电路还可以主要由运算放大器构成，运算放大器可采用ad8021或等效器件。根据探地雷达工作频段及带宽要求合理选择射随电路，实现从高阻抗到低阻抗的变换，实现性能最优化，由于是有源阻抗变换，所以还需要提供外部直流电源供应。

本发明所述的一种能抑制探地雷达直达波干扰的磁接收阵元组阵方法包括以下步骤：a、制作不同频段的磁接收阵元，总体上满足探地雷达对频率覆盖的需求；b、对各阵元进行几何配置，使各阵元方向性图零点一致且对准探地雷达直达波方向，同时不影响反射回波的接收；c、对各阵元所接收的信号进行合成并输出。根据探地雷达工作频段及带宽要求，合理制作不同频段的磁接收阵元，尽量减少磁性阵元数量。各阵元进行几何配置时，在减少空间的同时，同时避免阵元相互间的影响。整个阵列输出的方向性图仍然保持具有很深的零点方向性，以提高对探地雷达直达波干扰的抑制效果。

在步骤b中，各阵元沿水平方向布设，各阵元的圆柱体轴线平行且在一个平面上，并和发射使用的电天线在同一个平面上；同时，圆柱体轴线垂直于电天线辐射的电场方向。保证各阵元方向性图零点一致且对准探地雷达直达波方向，起到抑制直达波干扰的效果，并且优化了收发天线布局。

在步骤c中，对各阵元所接收的信号进行合成，有两种形式：一种是各阵元输出经过一个运算放大器把各路信号合成输出；一种是通过一个超宽频段的铁氧体环，用线圈绕组的方法来进行合成。

有益效果：本发明公开了一种能抑制探地雷达直达波干扰的磁接收阵元及组阵方法，通过多个磁性阵元的组阵，实现了超宽带的接收，并使得天线阵方向性图具有深度零点，把零点指向直达波的来波方向，实现对探地雷达直达波干扰的有效抑制，从而打破探地雷达性能提升的瓶颈，降低雷达信号采集和处理的难度。本发明中的磁性接收阵元是可调整的，可以根据探地雷达工作频段要求，调整阵元中的磁性填充材料的规格、线圈的匝数和间距、线圈在磁性介质填充体上的位置及线的粗细，和改变并联在线圈上的电容、电阻值等，满足雷达对接收带宽的要求。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的单个磁性阵元结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的阵列几何配置流形示意图；

图3是本发明具体实施方式的基于运算放大器的磁性阵元信号合成示意图；

图4是本发明具体实施方式的基于超高频磁环的磁性阵元信号合成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

图1是本发明的单个磁性阵元结构示意图。包括可组合填充不同特性磁性材料的磁性介质填充体、线圈绕组以及阻抗变换单元，线圈绕组围绕在磁性介质填充体上，线圈绕组的输出连接到阻抗变换单元输入端，阻抗变换单元输出端是阵元接收信号的输出。磁性介质填充体为圆柱体，圆柱体自身不具备导磁特性，其内嵌有三个小的圆柱体为磁性材料的填充体，呈等三角分布，三个小的圆柱体可分别填充相同或不同特性的磁性介质材料。可选择的不同磁性介质材料相对导磁率分别为2、5、10、20、50、100、200。相对导磁率越高，更利于接收低频段的信号；所填充的不同磁性介质材料的相对导磁率差别越大，其工作的带宽会越宽。

线圈绕组可改变圈数、圈与圈之间的间距，线圈可在介质填充体上滑动。圈数增多，工作频率变低；圈数少，工作频率升高；圈与圈之间的间距增加，工作频率升高；线圈越往介质填充体两端滑动，工作频率升高，带宽相对变窄。绕制线圈的线为多股软铜线。相比较单股铜线，工作带宽得到进一步提升。绕制线圈输出端连接一可变电阻和可变电容。通过改变可变电阻的阻值可以调整接收信号的带宽，通过改变可变电容的容值可以调整接收信号的中心频点，增强组阵时的灵活性。

阻抗变换单元由射随电路构成，实现从高阻抗到低阻抗的变换。射随电路可主要用三极管构成，例如采用高频2sc3356三极管或等效器件；射随电路也可以主要用运算放大器，例如采用ad8021或等效器件。可根据探地雷达工作频段及带宽要求优选射随电路，实现性能最优化。

实验表明：(1)当三个填充的磁性介质材料相对导磁率为2、5、5，介质填充体直径10cm，填充磁性材料圆口直径3cm，线圈绕组匝数3圈，间距3cm，阻抗匹配电路由高频2sc3356三极管构成的电路组成时，可以有效接收到45mhz内的频率信号。(2)当三个填充的磁性介质材料相对导磁率为10、20、50，介质填充体直径10cm，填充磁性材料口直径3cm，线圈绕组匝数5圈，间距2cm，阻抗匹配电路由高频2sc3356三极管构成的电路组成时，可以有效接收到20mhz内的频率信号。(3)当三个填充的磁性介质材料相对导磁率为50、100、100，介质填充体直径10cm，填充磁性材料口直径3cm，线圈绕组匝数8圈，间距3cm，阻抗匹配电路由高频2sc3356三极管构成的电路组成时，可以有效接收到9mhz内的频率信号。(4)当三个填充的磁性介质材料相对导磁率为100、100、200，介质填充体直径10cm，填充磁性材料口直径3cm，线圈绕组匝数10圈，间距2cm，阻抗匹配电路由高频2sc3356三极管构成的电路组成时，可以有效接收到3.8mhz内的频率信号。

图2是本发明的阵列几何配置流形示意图，其中包括：由六个磁性阵元排列构成的阵列，阵元间轴间距20cm，单个阵元长30cm，通过对阵元填充介质材料、绕组匝数及间距等的调整，使得阵元1-6所接收信号最强的频率点分别为1.6mhz、4.2mhz、9.8mhz、17.4mhz、26mhz、49mhz。

实验表明：各阵元在接收信号最强的频率点上的纯磁性能(阵元在均匀磁场中旋转一周，所接收信号最大值与最小值得比，并取10为底的对数，再乘以20获得)分别38db、35db、30db、24db、18db、14db。纯磁性能反映了磁性阵元方向性图零点的深度，其值越大，零点越深，抑制直达波干扰的效果越好。

图3是本发明的为基于运算放大器的磁性阵元信号合成示意图，主要包括：差分运算放大器、各回路的电阻。差分运放输入的+端通过一个电阻接地，每个阵元的输出分别经过一个电阻再共同连接到差分运放输入的﹣端，该﹣端再经过一个电阻连接到差分运放的输出端，改变电阻大小可以调整合成信号输出的大小，阻值越大，输出越大。由于是有源器件构成的合成电路，会引入器件自身的干扰，也存在信号输出范围的限制即信号过大时输出信号会限幅失真；过大的信号冲击，还会损坏器件。

图4是本发明的为基于超高频磁环的磁性阵元信号合成示意图，主要包括超高频铁氧体磁环、磁环上的6个输入绕组、一个输出绕组及7个串接于输入或输出的电阻。磁环的相对导磁率大于300，宽频特性大于60mhz。每个阵元的输出分别经过一个电阻再连接到磁环上的一个绕组上，构成了一个绕组回路。输出绕组为单独的一个，且与输入绕组不共地，输出绕组两个端子中的一个经过一个电阻后输出，另外一个端子作为阵列输出的信号地端子。改变与输入绕组相连接的电阻大小可以调整合成信号输出的大小，阻值越大，输出越小。改变与输入绕组相连接的电阻大小可以调整合成信号中该阵元输出的大小，阻值越大，输出越小。改变与输出绕组相连接的电阻大小可以调整合成信号输出的阻抗。由于是无源器件构成的合成电路，不会引入器件自身的干扰，也不存在信号输出范围的限制即信号过大时输出信号会限幅失真；过大的信号冲击，也不会损坏器件。相比较采用运放构成的阵元信号合成电路，各阻值的调整会彼此影响，需要反复调整才能获得满意的结果。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内还可以对其作出种种变化。例如，在上述实施方式中，阵元的阻抗变换模块也可以主要用场效应晶体管构成；三个磁性介质材料填充口也可以改为或多或少的填充口，包括填充口的形状不限定为圆柱体；构成阵列的阵元个数或多于6个或少于6个；磁性介质材料的导磁率也不局限于所列出的参数等。