一种基于低频超宽带空气耦合天线的无人机航空探地雷达

本发明属于探地雷达，具体涉及一种基于低频超宽带空气耦合天线的无人机航空探地雷达。

背景技术：

1、探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术。与传统的地球物理方法相比，探地雷达具有探测分辨率高、快速便捷、操作简单、抗干扰能力强等方面的优势。其探测原理是发射天线发射的电磁波在地层中传播时，如果遇到电磁性质不同的物体(目标)，将发生前向和后向的散射。散射波在多个目标之间以及目标内部还会形成新的散射。向地面传播的散射波将被接收天线接收。随着天线的移动，探地雷达记录到各测量点处的电磁波信号，经过信号处理和分析后可判断地质分层情况和各层的材质等，同时可以识别地下目标体。探地雷达的应用范围极其广泛，在工程检测、环境保护、文物考古、灾害救援、反恐安检、资源勘探、水文水利等科学技术领域中都在发挥着其他探测手段无法取代的重要作用。

2、目前而言，探地雷达多搭载在手推车或汽车、火车等地面移动平台上，执行城市道路浅层探伤、地下管线检测，高速公路、铁路隐伏病害探测等任务。其工作频段一般较高，探测深度只有几米，且探地雷达收发天线的耦合方式多为天线贴地工作的地面耦合方式，一般地，天线贴地面0.5cm～1cm。对于植被严重覆盖的区域、或地形起伏较大的区域、或人类无法到达的区域等的大面积探测，地面探地雷达显得无能为力，而航空探地雷达却会是一种非常有效的探测手段。航空探地雷达天线必须悬挂在具有一定高度并且运动的平台上，发射天线发出的电磁波要经过空气中的几何扩散传播(空气耦合)，然后再经过地面耦合后进入地下，遇到地层界面后发生反射、折射、散射等，部分能量向上传播到达航空探地雷达的接收天线后，被接收天线耦合接收并记录下来，根据接收到的雷达回波信号，经过信号处理、数据成像等进一步推断地下地质结构。

3、已有研究表明，将探地雷达应用于探测非显性滑坡是一种有效的探测手段，但许多非显性滑坡的断层扰动带在十几米甚至二十米深的地下，一般的地面或航空探地雷达探测深度远远达不到探测要求。因此，开展大深度低频航空探地雷达的研究十分必要，对于我国提升滑坡、崩塌等灾害的防灾、减灾水平，降低灾害的危害性意义重大，同时对于扩展地球物理探测技术的应用、丰富电磁勘探法内涵具有重要价值。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于低频超宽带空气耦合天线的无人机航空探地雷达将探地雷达搭载于无人机上，解决了传统地面探地雷达适用场景有限的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于低频超宽带空气耦合天线的无人机航空探地雷达，包括无人机、探地雷达收发机主体、低频超宽带空气耦合收发天线、激光雷达高度计、姿态计以及gps模块；

3、所述探地雷达收发机主体搭载在所述无人机的起落架中间的固定板上，所述低频超宽带空气耦合收发天线悬挂在所述无人机的起落架上，并通过射频线与所述探地雷达收发机主体连接，所述激光雷达高度计和所述姿态计分别固定在所述低频超宽带空气耦合收发天线的下方和上方，所述gps模块固定在所述无人机的机臂上；

4、所述探地雷达收发机主体包括信号源模块、发射机模块、射频对消模块、接收机模块以及数据预处理与控制模块；

5、所述发射机模块通过内置的功分器分别与所述信号源模块和所述接收机模块内置的上变频器连接，所述射频对消模块通过内置的耦合器和合路器分别与所述发射机模块、所述接收机模块和所述低频超宽带空气耦合收发天线连接，所述数据预处理与控制模块通过内部控制信号线分别与所述信号源模块、所述发射机模块和所述接收机模块连接。

6、进一步地，所述信号源模块包括依次连接的参考时钟、频率合成器、倍频器以及带通滤波器；

7、所述发射机模块包括依次连接的功分器、前置放大器、可调衰减器、驱动放大器、功率放大器以及低通滤波器；

8、所述射频对消模块包括依次连接的耦合器、矢量调制器以及合路器；其中，所述耦合器和合路器分别与低频超宽带空气耦合收发天线的发射天线和接收天线连接，所述矢量调制器还受低频控制电路控制；

9、所述接收机模块包括依次连接的低噪声放大器、跳频滤波器、可变增益放大器、第一下变频器、带通滤波器、第二下变频器以及低通滤波器；所述第二下变频器还与所述射频对消模块中的低频控制电路连接；

10、所述接收机模块还包括温补晶振和上变频器，所述温补晶振分别与所述第二下变频器和上变频器连接，所述上变频器还分别与所述第一下变频器和所述发射机模块中的功分器连接；

11、所述数据预处理与控制模块包括依次连接的模/数转换器和基带信号处理与主控器，其中，基带信号处理与主控器还分别与所述信号源模块中的频率合成器、发射机模块中的可调衰减器以及接收机模块中的跳频滤波器连接。

12、进一步地，所述射频对消模块的工作过程为：

13、低频控制电路根据接收机模块解调产生的基带信号大小，控制耦合器输入到矢量调制器的发射信号的幅度和相位，产生与接收天线收到的直达波信号等幅反相的对消信号，并在合路器中进行对消。

14、进一步地，所述接收机模块中的跳频滤波器，在数据预处理与控制模块的控制信号作用下，其通频带跟随发射信号的频率变化而变化。

15、进一步地，所述低频超宽带空气耦合收发天线的发射天线和接收天线结构相同，均为甚高频超宽带折叠单极子贴片天线，其包括介质基板、辐射贴片天线、感应抵消贴片和接地贴片；

16、所述辐射贴片天线为对称折叠结构的单极子天线，设置于所述介质基板的顶层；

17、所述感应抵消贴片和接地贴片设置于所述介质基板底层。

18、进一步地，所述辐射贴片天线包括未折叠辐射贴片和折叠辐射贴片；

19、所述折叠辐射贴片包括纵向折叠的第一贴片分支、横向折叠的第二贴片分支，以及纵向折叠的和第三贴片分支；

20、所述未折叠辐射贴片设置于所述第二贴片分支中点下方，并与所述第二贴片分支垂直；

21、所述第一贴片分支和第三贴片分支关于所述未折叠辐射贴片对称设置。

22、进一步地，所述辐射贴片天线的馈电点设置于所述未折叠辐射贴片的始端。

23、进一步地，所述感应抵消贴片覆盖所述辐射贴片天线；

24、所述感应抵消贴片覆盖所述辐射贴片天线的面积与高频端信号的衰减成正比。

25、进一步地，所述接地贴片与所述辐射贴片天线的馈电点的距离为第一间距；

26、所述接地贴片的尺寸及第一间距根据所述单极子贴片天线的目标阻抗确定。

27、本发明的有益效果为：

28、(1)本发明采用了与一般地面耦合探地雷达所使用的面天线不同的线天线方案，通过对单极子天线进行折叠，大大减小了天线的结构尺寸，并通过引入感应抵消贴片和设置接地贴片与馈电点之间的间距拓展了天线的增益带宽和阻抗带宽，不仅将天线的相对工作带宽拓展到178.95％，而且将天线的最低工作频率降到10mhz。从而制作成一种轻质小型化低频超宽带空气耦合收发天线，解决了无人机航空探地雷达空气耦合难题。

29、(2)本发明所使用的步进频率连续波雷达体制具有瞬时窄带宽的优势，在接收机模块中采用低频宽带跳频滤波器，有效提升了接收机灵敏度，同时在收发天线的挂载方式上采用最大辐射方向避让技术，结合探地雷达收发机的射频对消模块大大消除了收发天线直接耦合产生的宽带强干扰信号，有效提升了接收机动态范围，进而实现了地下大深度探测。

30、(3)本发明在信号源模块中采用低频的步进频率连续波信号，并增大发射机模块的输出功率，提高了进入地下的电磁波能量，从而进一步提高了探测深度。