王百泉, 董可欣, 劉昌斌, 陳思宇, 王 華, 劉永勝,謝 韜, 古艷旗, 張安學(xué)

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 511458;2.西安交通大學(xué) 電磁與信息技術(shù)研究所, 陜西 西安 710049;3.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司, 河北 三河 065201)

0 引 言

隧道襯砌是重要的支護(hù)措施, 常見(jiàn)有混凝土開(kāi)裂、 襯砌厚度不足、 內(nèi)部空洞等質(zhì)量問(wèn)題。 為了保證隧道工程的質(zhì)量, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害并給出防治措施, 隧道襯砌檢測(cè)領(lǐng)域的研究具有重要的工程意義。 隧道襯砌檢測(cè)工作可以獲得襯砌結(jié)構(gòu)分布、病害等數(shù)據(jù), 是評(píng)估襯砌混凝土施工質(zhì)量的主要方式, 也是隧道維修和加固的必要前期工作。 人工敲擊法可以有效發(fā)現(xiàn)襯砌內(nèi)部空洞等問(wèn)題, 工作人員在工程車(chē)上勻速前進(jìn), 手持檢查槌敲擊拱頂和拱腰, 通過(guò)敲擊聲音辨別是否存在病害, 但是該方法對(duì)人力要求高且檢測(cè)效率較低。 為了更高效、 更穩(wěn)定、 更精確地獲得檢測(cè)結(jié)果, 可將探地雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于襯砌檢測(cè)。 探地雷達(dá)是一種應(yīng)用電磁波對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)和成像的技術(shù), 具有非接觸和非破壞性的特點(diǎn)[1], 適合于襯砌這種大型復(fù)雜環(huán)境下不可見(jiàn)目標(biāo)的探測(cè)。

目前, 對(duì)于襯砌探測(cè)雷達(dá)已有研究和實(shí)際應(yīng)用, 工程驗(yàn)證了雷達(dá)呈現(xiàn)出更完整精確的檢測(cè)結(jié)果[2]。 但是在實(shí)際工作中, 雷達(dá)天線應(yīng)該與襯砌表面密貼才能保證檢測(cè)效果, 這就導(dǎo)致了以下問(wèn)題: 首先, 檢測(cè)車(chē)上應(yīng)該搭載足夠高、 足夠穩(wěn)定的臺(tái)架, 不僅要使設(shè)備能接觸到探測(cè)位置, 還要避免臺(tái)架與襯砌發(fā)生剮蹭; 其次, 檢測(cè)工作必須由專(zhuān)業(yè)的工作人員全程手持天線完成, 高空作業(yè)帶來(lái)了人員的安全隱患問(wèn)題, 并且天線在襯砌表面會(huì)難以避免發(fā)生滑動(dòng)、 蛇形移動(dòng)和脫離等問(wèn)題,會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)的質(zhì)量。 為了解決這些問(wèn)題, 可以設(shè)計(jì)機(jī)械托舉天線的設(shè)備以替代人工[3], 也可以設(shè)計(jì)空氣耦合的襯砌檢測(cè)雷達(dá)[4], 空氣耦合天線具有較高的偏移距離, 能夠增強(qiáng)對(duì)道路結(jié)構(gòu)內(nèi)淺層的檢測(cè), 加快檢測(cè)速度, 更加適合于道路或隧道的工程探測(cè)[5], 使雷達(dá)在天線與襯砌不相接觸的條件下也可以有效工作。 目前, 國(guó)內(nèi)對(duì)于空氣耦合襯砌檢測(cè)雷達(dá)的技術(shù)研究并不成熟, 一方面性能并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì), 另一方面成本控制不易。

常用的雷達(dá)天線主要有Vivaldi天線[6]、bowtie天線[7]、TEM 喇叭天線[8]等形式。bow-tie天線是一種典型的地耦合天線。 文獻(xiàn)[9]研究了bow-tie天線在地耦合和空氣耦合兩種條件下的測(cè)試效果, 表明該天線在地耦合下表現(xiàn)出更低的直耦和更好的探測(cè)效果。 文獻(xiàn)[10-12]設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)不同的TEM 喇叭雷達(dá)天線, 使TEM 喇叭天線擁有更寬的阻抗帶寬, 并且增益很高。 但是,TEM 喇叭天線的全金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)致天線整體重量重、 體積大, 與其相比,Vivaldi天線具有重量輕、體積小、 成本低、 易于加工集成、 適合組陣的優(yōu)點(diǎn), 更適合工程應(yīng)用。

本文針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款空氣耦合的雷達(dá)天線, 該天線基于Vivaldi天線形式, 相比于已有的Vivaldi天線研究[13-15], 本文設(shè)計(jì)的天線具有更低的頻段和更輕量的尺寸, 成本低, 更適合于隧道襯砌探測(cè)工程中的使用。 本文對(duì)天線的組裝方式和天線罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì), 使天線在實(shí)測(cè)工作中有良好的表現(xiàn), 實(shí)際的隧道檢測(cè)結(jié)果顯示該天線具有穩(wěn)定的時(shí)域性能, 雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)能力強(qiáng)、 分辨率高。

1 天線結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)空氣耦合雷達(dá)天線的重點(diǎn)在于逐步的阻抗變換。 由于天線口徑與空氣直接接觸, 口徑處的特征阻抗應(yīng)該為377Ω, 而饋線處的阻抗為50Ω, 所以, 需要解決饋線處和口徑處的匹配問(wèn)題, 減少反射。 天線的輻射體可以等效為沿著主輻射方向劃分的N個(gè)平行板傳輸線[16], 選取較大的N值使結(jié)構(gòu)過(guò)渡更平滑, 可以假設(shè)每個(gè)片段是均勻的。 從饋線開(kāi)始, 每一段輸入阻抗和輸出阻抗之間的關(guān)系可以由傳輸線阻抗計(jì)算公式得出,即可實(shí)現(xiàn)阻抗的逐漸過(guò)渡, 使口徑處與空氣實(shí)現(xiàn)良好的匹配。Vivaldi天線是一種端射式漸變槽線天線, 最大輻射方向是槽線的展開(kāi)方向, 可以通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)口徑處特征阻抗的調(diào)整, 使天線具備良好的空氣耦合性能。 本文所設(shè)計(jì)的天線是微帶饋電式的Vivaldi天線, 能量先饋入一段特征阻抗為50Ω的微帶線, 再通過(guò)寬帶的耦合結(jié)構(gòu)耦合到輻射體, 逐漸向外輻射。

圖1是空氣耦合寬帶Vivaldi天線結(jié)構(gòu)示意圖, 其中白色代表介質(zhì)基板, 灰色代表導(dǎo)體層。 基板背面印刷有微帶饋電線, 末端加載有一段扇形微帶短截線。 微帶線連接SMA接頭, 將能量饋送到天線。 扇形微帶短截線可以增強(qiáng)電磁波能量對(duì)輻射貼片的耦合能力, 從而實(shí)現(xiàn)大范圍的阻抗匹配。 基板正面印刷有輻射貼片, 上面加載圓形槽線和窄平行槽線, 圓形槽線起到容性補(bǔ)償?shù)淖饔?將能量耦合到槽線周?chē)? 再集中于窄平行槽線并向前傳播, 指數(shù)型漸變槽線能夠輻射不同頻率的信號(hào)能量。 該結(jié)構(gòu)是一個(gè)良好的低色散天線。

圖1 Vivaldi天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the Vivaldi antenna

為了減輕系統(tǒng)重量和優(yōu)化成本, 介質(zhì)基板選用FR-4材料, 介電常數(shù)為4.3～4.4, 損耗角正切值為0.025, 介質(zhì)板厚度為1 mm, 由于饋線處的阻抗為50Ω, 與同軸線直接相連的微帶線寬度為1.88 mm。 用于輻射900 MHz信號(hào)的天線整體尺寸為120 mm×80 mm。 基于天線的工作原理, 圓形槽線的周長(zhǎng)一般取中心頻率對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)的1/4, 指數(shù)漸變槽的末端開(kāi)口寬度一般取通帶最低頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/2, 指數(shù)漸變槽的最窄處開(kāi)口寬度一般是通帶最高頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/100。 通過(guò)電磁仿真軟件, 對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化確定, 具體參數(shù)如表1所示。

表1 Vivaldi天線參數(shù)Tab.1 Parameters of the Vivaldi antenna

該天線采用微帶線耦合饋電, 這種方式相比于對(duì)跖Vivaldi天線的巴倫結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單, 加載的圓形諧振腔和扇形微帶短截線會(huì)影響天線的輸入阻抗。 圖2展示了天線在不同參數(shù)時(shí)的輸入阻抗曲線對(duì)比圖, 當(dāng)d=20 mm 時(shí), 圓形槽線帶來(lái)的容性和扇形短截線帶來(lái)的感性相互補(bǔ)償, 天線在所需的工作頻帶上具有穩(wěn)定的輸入阻抗, 如圖2(a)所示; 而當(dāng)d=5 mm 時(shí), 輸入阻抗的虛部極不穩(wěn)定, 如圖2(b)所示。

圖2 Vivaldi天線輸入阻抗曲線圖Fig.2 Input impedance of the Vivaldi antenna

在圓形槽線尺寸參數(shù)不同的情況下,天線饋電結(jié)構(gòu)處的電流如圖3所示。 當(dāng)d=20 mm 時(shí),加載結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒛芰窟M(jìn)行耦合, 能量饋入天線后主要集中在窄平行槽線上, 從而繼續(xù)耦合到正面的輻射結(jié)構(gòu)上, 實(shí)現(xiàn)期望的工作模式, 如圖3(a)所示; 而當(dāng)圓形諧振腔的直徑過(guò)小時(shí), 能量主要集中在天線上半?yún)^(qū)的饋電部分, 流向輻射結(jié)構(gòu)的電流很微弱, 如圖3(b)所示。

圖3 Vivaldi天線饋電結(jié)構(gòu)表面電流分布圖Fig.3 Suface current distribution diagram on the feed structure of the Vivaldi antenna

該天線是一種槽線天線, 能量耦合到輻射體后, 沿著指數(shù)漸變槽線向前傳播, 且槽線末端幾乎無(wú)反射, 是較為理想的行波天線。 圖4展示了工作在中心頻率時(shí)天線輻射體的表面電流分布,從圖中可以看出, 兩臂上的電流在x方向上是等幅反向的, 即在x方向上相互抵消, 而在y方向上則是同向的, 所以, 天線的方向特性是一個(gè)沿著正x方向的端射型輻射方向圖。

圖4 Vivaldi天線輻射結(jié)構(gòu)表面電流分布圖Fig.4 Suface current distribution diagram on the radiation structure of the Vivaldi antenna

2 天線裝配設(shè)計(jì)

在雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, 將發(fā)射天線和接收天線放置在同一個(gè)天線罩內(nèi), 結(jié)構(gòu)如圖5所示。 天線罩為上下分層結(jié)構(gòu), 兩層之間通過(guò)碳纖維板進(jìn)行分隔, 避免上下層之間產(chǎn)生電磁干擾。 天線罩上層包括采樣頭與脈沖源模塊, 下層為收發(fā)天線,收發(fā)天線之間也通過(guò)碳纖維板進(jìn)行分隔, 用于提高收發(fā)天線隔離度, 降低直達(dá)波幅值。 為了避免天線受外部環(huán)境干擾, 在天線罩內(nèi)壁貼覆吸波材料。

圖5 天線罩結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of radome

為了設(shè)計(jì)天線在天線罩內(nèi)的最優(yōu)放置方式,必須考慮收發(fā)天線之間的互耦效應(yīng), 不同的互耦會(huì)影響天線的匹配和方向性, 從而導(dǎo)致雷達(dá)穿透能力和分辨能力的降低。 圖6展示了收發(fā)天線2種不同的放置方式, 在圖6(a)中, 收發(fā)天線呈面對(duì)面放置, 兩天線分別位于碳纖維板的兩側(cè), 從側(cè)面看, 兩天線和碳纖維板三者相互平行, 天線通過(guò)天線罩底部的卡槽固定; 在圖6(b)中, 收發(fā)天線共面放置, 從側(cè)面看, 兩天線和碳纖維板是垂直的, 兩天線的短邊均與碳纖維板相接, 通過(guò)天線罩側(cè)面的卡槽固定。

圖6 收發(fā)天線不同放置方式模型圖Fig.6 Model diagram of different placement of transmitting and receiving antennas

圖7為單個(gè)天線在自由空間中不裝配時(shí)中心頻率的E面和H 面方向圖。 由于天線H 面方向圖是8字形的, 兩個(gè)波瓣的指向垂直于天線平面, 零點(diǎn)的指向?yàn)樘炀€側(cè)面。 方式1中, 接收天線放置在發(fā)射天線的最大輻射方向, 接收天線上會(huì)耦合一部分電流, 和發(fā)射天線形成一個(gè)二元陣列, 導(dǎo)致方向圖的惡化。 圖8(a)展示了放置方式1條件下天線的輻射方向圖, 從H 面看, 天線的主輻射方向發(fā)生了嚴(yán)重的偏移, 即天線的探測(cè)方向不再是正對(duì)著指數(shù)漸變曲線展開(kāi)的方向, 而是沿著垂直于天線平面的方向有了一定距離的偏移。 在該方式中, 兩天線的間距非常關(guān)鍵, 天線平面與天線罩側(cè)壁的距離也會(huì)對(duì)天線匹配和接收信號(hào)產(chǎn)生影響, 在設(shè)計(jì)天線罩尺寸時(shí)需要綜合考慮這些參數(shù)及其造成的偏移角度問(wèn)題。 方式2中, 接收天線與發(fā)射天線放置在同一平面內(nèi), 位于發(fā)射天線方向圖的零點(diǎn), 此時(shí)陣因子對(duì)天線方向圖的影響很小。圖8(b)展示了放置方式2條件下天線的輻射方向圖, 與單一天線在自由空間中的情形對(duì)比, 互耦效應(yīng)的影響比較弱, 天線的探測(cè)方向仍然在指數(shù)漸變曲線展開(kāi)的下方。 在該方式中, 天線間距可以選取的比較小, 在實(shí)際工程中兩天線可以緊貼碳纖維板固定。 所以, 在雷達(dá)系統(tǒng)的方案中, 最終選擇方式2作為天線罩的裝配形式。

圖7 Vivaldi天線在中心頻率的輻射方向圖Fig.7 Radiation pattern of the Vivaldi antenna at center frequency

圖8 不同放置方式下Vivaldi天線的輻射方向圖Fig.8 Radiation pattern of the Vivaldi antennas with different placement

完成對(duì)天線結(jié)構(gòu)和天線罩的設(shè)計(jì)后,將模型加工并組成雷達(dá)樣機(jī)。 天線實(shí)例如圖9所示, 整體尺寸為120 mm×80 mm。 天線罩實(shí)物如圖10所示, 天線在殼體內(nèi)以卡槽固定, 殼體內(nèi)壁設(shè)置有平板吸波材料, 盡量選取對(duì)天線影響較小且重量輕的吸波材料, 如紙蜂窩、 海綿尖劈等, 在沒(méi)有合適的高衰減吸波材料時(shí), 可利用紙蜂窩等高頻吸波材料進(jìn)行填充式的多層衰減。 天線系統(tǒng)與其余雷達(dá)部件相連接, 發(fā)射機(jī)輸入信號(hào)源為主頻900 MHz的沖激脈沖信號(hào)。

圖9 Vivaldi天線S 11 曲線圖Fig.9 Manufactured Vivaldi antenna

圖10 天線罩實(shí)物圖Fig.10 Manufactured radome

3 結(jié)果及分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中得到天線的實(shí)測(cè)結(jié)果, 并與仿真環(huán)境下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 圖11給出了Vivaldi天線的S11曲線圖, 可以看出, 天線擁有770 MHz～1 650 MHz的阻抗帶寬(-10 dB 水平), 相對(duì)帶寬為73%。 實(shí)測(cè)結(jié)果的帶寬上下限和仿真結(jié)果基本一致, 但是周?chē)h(huán)境對(duì)低頻影響比較大, 整體維持在-10 dB以下, 能夠有效輻射。圖12給出了Vivaldi天線的時(shí)域方向圖, 可以看出, 天線在時(shí)域條件下?lián)碛蟹€(wěn)定的定向輻射方向圖, 且側(cè)向輻射幾乎為0。

圖11 Vivaldi天線S 11 曲線圖Fig.11 S 11 of the Vivaldi antenna

圖12 Vivaldi天線歸一化時(shí)域方向圖Fig.12 Normalized time domain pattern of the Vivaldi antenna

將天線口徑緊貼空氣放置, 在發(fā)射天線主輻射方向距離1 m 處由接收天線接收時(shí)域信號(hào), 用于觀察天線傳輸信號(hào)在空氣耦合條件下的性能。接收到的信號(hào)如圖13所示, 可以看出, 天線的時(shí)域性能很好, 信號(hào)形狀和脈寬無(wú)畸變, 拖尾時(shí)延短, 拖尾度在10%以下。

圖13 Vivaldi天線探針接收時(shí)域信號(hào)曲線圖Fig.13 Time domain signal curve received by the probe of the Vivaldi antenna

為了說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)Vivaldi天線的性能特點(diǎn), 表2展示了本文與已有的Vivaldi天線研究[13-15]的性能對(duì)比, 其中相對(duì)尺寸是與中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ相對(duì)應(yīng)的。 文獻(xiàn)[13]中的天線尺寸適中, 相對(duì)帶寬可達(dá)75%, 具有線性相位響應(yīng),與本文所設(shè)計(jì)天線相比, 該天線也有良好的時(shí)域脈沖輻射特性, 但是天線尺寸較大, 是本文所設(shè)計(jì)天線的11.3倍左右, 且工作頻帶較高, 對(duì)地下目標(biāo)的探測(cè)能力弱; 文獻(xiàn)[14]中的天線具有極高的增益, 但是相對(duì)帶寬僅為44%, 工作頻帶下限為7 GHz, 是本文設(shè)計(jì)天線的9倍左右, 該天線相對(duì)尺寸很大, 在工程應(yīng)用中缺乏優(yōu)勢(shì); 文獻(xiàn)[15]中的天線相對(duì)帶寬高達(dá)99%, 尺寸與文獻(xiàn)[13-14]天線相比有了明顯縮小, 但仍然比本文所設(shè)計(jì)的天線大5倍左右, 該天線的工作頻帶下限為1.35 GHz, 比本文所設(shè)計(jì)的天線高75.3%, 并且該文獻(xiàn)中并沒(méi)有實(shí)際驗(yàn)證天線的時(shí)域特性。 本文設(shè)計(jì)的天線具有更低的工作頻段, 能夠滿足地下目標(biāo)探測(cè)的需求, 阻抗帶寬為0.77 GHz～1.65 GHz, 且相對(duì)尺寸很小, 基板厚度僅1 mm,整體結(jié)構(gòu)非常輕量化, 更適合工程使用。

表2 幾種Vivaldi天線性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of several Vivaldi antennas

系統(tǒng)組裝完成后在隧道內(nèi)進(jìn)行測(cè)試工作, 實(shí)測(cè)地點(diǎn)為寶成鐵路略陽(yáng)何家坪隧道, 測(cè)試環(huán)境如圖14所示。 天線放置在測(cè)試臺(tái)架上, 與目標(biāo)相距約1 m～2 m 的距離, 勻速向前滑動(dòng)。 對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 結(jié)果如圖15所示, 可以看出雷達(dá)對(duì)淺層目標(biāo)分辨清晰, 有效探測(cè)出了鋼拱架結(jié)構(gòu), 證明了所設(shè)計(jì)雷達(dá)天線具有穩(wěn)定的時(shí)域性能, 雷達(dá)能夠在空氣耦合的環(huán)境下完成高效、 清晰、 準(zhǔn)確的探測(cè)工作。

圖14 雷達(dá)測(cè)試隧道現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.14 Photographs of the radar testing tunnel site

圖15 隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖Fig.15 Measured data of the tunnel

4 結(jié) 論

針對(duì)隧道襯砌探測(cè)的實(shí)際需求, 本文對(duì)空氣耦合的雷達(dá)天線進(jìn)行研究, 設(shè)計(jì)了一種基于Vivaldi天線的雷達(dá)天線系統(tǒng)。 所設(shè)計(jì)天線可以實(shí)現(xiàn)770 MHz～1 650 MHz的阻抗帶寬, 接收時(shí)域信號(hào)拖尾度在10%以下, 具有良好的空氣耦合特性,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 易加工、 成本低。 通過(guò)對(duì)裝配方式的優(yōu)化, 設(shè)計(jì)了空氣耦合雷達(dá)天線罩, 完成了空氣耦合雷達(dá)樣機(jī)的設(shè)計(jì)、 制作和測(cè)量, 在隧道環(huán)境內(nèi)獲得測(cè)量數(shù)據(jù), 證明該系統(tǒng)在空氣耦合環(huán)境下性能穩(wěn)定, 分辨率高, 可以應(yīng)用于隧道襯砌的檢測(cè)工作。