13、探地雷达天线：特性、设计与优化

探地雷达天线：特性、设计与优化

1. 波形

在雷达领域，发射波形及其接收信号是一个既明显又具挑战性的问题。对于探地雷达（GPR）而言，波形的选择，包括调制方法，会影响从内部电子设备、天线、信号处理、信号解释到图像生成等GPR设计与性能的各个方面。

GPR系统主要分为时域和频域两类。时域中的脉冲GPR，通过整形有限时间的波形并检测散射体引起的幅度变化来工作。在脉冲GPR中，对连续波（CW）进行幅度调制，通过在检测过程中不同时间开启和关闭电源（即施加幅度1和0）来实现。由于测量中发射和接收时间明确，因此可以将散射信号与目标距离关联起来。

频域或CW GPR基于带限信号，发射理论上无限时长的连续正弦波并同时接收。这种配置能检测到地下目标，但由于信号在时间上无变化，无法分辨目标距离。不过，频域GPR可以控制辐射波形的功率谱密度，进而控制探测分辨率。

目前，脉冲系统比CW系统更为常见。但随着数字信号处理技术的发展，设备变得更便宜、更快且更准确，同时GPR逆算法的发展，使得CW系统越来越受关注。不同波形的优缺点取决于操作要求。使用脉冲波形时，挑战之一是产生足够短的脉冲以达到所需带宽，即具有合适的快速上升和下降时间，并且天线设计要避免振铃效应或脉冲形状失真。若在模数转换器（ADC）实时采样接收脉冲，ADC必须以足够高的频率工作以正确数字化波形，这会带来高昂成本。

为提高频域系统的检测能力，可以采用某种调制方式拓宽信号带宽。通过增加或减少波形中的振荡，可得到调频连续波（FMCW），其中频率差异是检测的相关参数，但这种GPR系统存在干扰问题。另一种方法是使发射的音调或脉冲频率在给定区间或步长内跨越定义的带宽，即步进频率连续波（SFCW）。频率步进通过测量每个