9、探地雷达天线：特性、设计与优化解析

探地雷达天线：特性、设计与优化解析

1. 天线在探地雷达中的基础特性

在探地雷达（GPR）应用里，天线的诸多特性对评估数据质量起着关键作用，能产出更精确的结果。从工程视角看，天线可视为具有自身传递函数的线性系统，其传递函数通常与频率相关，且有非线性相位响应。多数GPR天线在宽频率范围（宽带）内工作。

一般假定天线由理想导电材料制成，可能沿其结构分布有离散集总负载或天线罩。天线尺寸与辐射方向图相关，电小天线的辐射方向图比大天线更宽。天线辐射特性受所在介质影响，例如天线效率，在靠近色散介质工作时会大幅降低。

GPR系统类型的选择也很重要。时域或脉冲GPR的天线设计要避免振铃现象（即可能掩盖目标反射信号的寄生振荡），此时非线性相位是关键考量因素。对于调频或合成GPR，可通过系统初始校准放宽对天线线性相位响应的要求。

同一天线可用于信号发射和接收，基于互易原理，发射和接收的基本电特性（如阻抗、带宽、效率和辐射方向图）相同，只是功率水平有差异，但由于天线效率高，辐射功率对天线结构影响小。

2. 天线辐射参数

天线在GPR应用中的实用性由一组标准定量参数决定。为说明这些参数的定义和意义，这里先以小天线（如赫兹偶极子、电偶极子或基本天线）为例。

更深入的分析可基于两种基本规范天线：细线线性天线（电偶极子）和细线圆形环（磁偶极子）。任何实际天线都可看作基本天线的组合。根据天线电尺寸，电偶极子和磁偶极子可分为无穷小偶极子（天线物理长度远小于波长）、近似小偶极子（长度小于波长）和谐振天线（长度等于或大于波长）。

2.1 赫兹偶极子辐射场计算

为计算赫兹偶极子的辐射场，假设偶