【摘 要】
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随着国内城市化进程的迅速推进,由于地下空间未能及时查明而引起的灾害事故时有发生,亟需一种高分辨快速检测技术为城市地下空间安全提供保障。探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）作为一种高效、无损的地球物理勘探方法,已广泛应用于城市地下空间探测。天线作为探地雷达系统的重要组成部分,对其整体性能具有重要影响。然而,现有商用GPR天线多是基于单频方式设计,存在分辨率、探测深度无
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随着国内城市化进程的迅速推进,由于地下空间未能及时查明而引起的灾害事故时有发生,亟需一种高分辨快速检测技术为城市地下空间安全提供保障。探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）作为一种高效、无损的地球物理勘探方法,已广泛应用于城市地下空间探测。天线作为探地雷达系统的重要组成部分,对其整体性能具有重要影响。然而,现有商用GPR天线多是基于单频方式设计,存在分辨率、探测深度无法兼顾的问题,无法满足实际探测需求。因此,开发能够兼顾分辨率与探测深度的高分辨率天线,准确查明地下管线、空洞,对于城市地下灾害预警具有重要意义和实用价值。步进频率连续波（Stepped-frequency Continuous Waveform,SFCW）是频域探地雷达中使用较多的一种信号。与时域冲激脉冲探地雷达相比,SFCW GPR具有工作带宽大、频带范围可控的特点,为兼顾探测深度与分辨率提供了可行性。因此本文采用基于矢量网络分析仪的SFCW信号,结合阵列和超宽带（Ultra-wideband,UWB）天线技术,围绕用于城市地下0～5 m高分辨率探测的GPR天线展开研究。在研究过程中将地下空间划分为0～1.5 m、1.5～5 m两个区域,根据测深和分辨率不同设计了两款超宽带天线,搭建了SFCW GPR系统,并通过应用实例验证了所设计天线的有效性及实用性。本文主要研究内容如下:（1）研究了探地雷达探测深度、分辨率与天线工作频率、工作带宽、3d B波束宽度的关系。通过理论及正演仿真,分析了天线的UWB、窄波束、高增益特性以及SFCW体制雷达灵活的频带控制能力对于GPR系统探测深度、分辨率的影响,为城市地下0～5 m高分辨率探测提供了理论基础。（2）研究了用于城市地下0～1.5 m复杂目标探测的高频UWB Vivaldi阵列天线。针对传统领结天线3d B波束较宽导致横向分辨率不足,造成复杂目标难以精确辨别的问题,提出了基于高频Vivaldi的阵列聚焦发射技术,设计了一款高频UWB Vivaldi天线,并基于该天线实现了四阵元同步聚焦发射天线阵列。基于等幅边射线阵理论选择合适的阵元数量、阵元间距,达到电磁波聚焦效果,抑制绕射波干扰。使用gpr Max正演验证了同步发射阵列结构对地下空间复杂地质的高分辨率优势。设计的四阵元同步发射阵列3d B波束宽度小于30°,最大增益超过15d Bi,工作在600 MHz～2.5 GHz频段,绝对带宽1.9 GHz在相对介电常数为10的介质中,其理论纵向分辨率可以达到2.49cm。（3）研究了用于城市地下1.5～5 m探测的低频UWB领结天线。针对当前主流商用时域体制GPR系统,无法兼顾探测深度与分辨率的问题,提出了基于加载优化的低频UWB领结天线设计方案。通过天线臂截断和倒角的结构加载优化,实现天线工作频带的拓宽和小型化设计,使用遗传算法对传统领结天线基础参数、结构加载参数进行了寻优,并通过电阻加载技术改善天线表面电流分布,改善后的天线使用有限元仿真软件HFSS进行了管线探测能力验证。所设计的低频UWB领结天线尺寸为35 cm*22 cm,工作在350 MHz～1.77 GHz频段,绝对带宽1.4 GHz在相对介电常数为10的介质中,其理论纵向分辨率可以达到3.39cm。最后,完成了基于矢量网络分析仪的SFCW GPR系统搭建,系统可在300MHz～3 GHz频段工作,理论和实际纵向分辨率达到厘米级。利用所搭建系统与商用探地雷达系统Zond-12e进行了多组对比实验,实验结果表明天线的UWB、窄波束、高增益特性可以有效提升GPR系统的纵向分辨率、横向分辨率和探测深度。所设计的SFCW GPR系统能够实现对城市地下0～5 m管线、空洞的高分辨探测。本文的研究成果为后续的科学研究及应用奠定了良好的工作基础,对城市地下0～5 m高分辨探测具有指导意义。
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