电磁超介质在探地雷达中的应用研究

Based on different situations of radiation, propagation and scattering of Ground penetrating radar (GPR) waves in lossy medium, this project introduces electromagnetic Metamaterials (MMs) to improve GPR transmitting and receiving antennas' near field working conditions. MMs can also make them have an easy way to design the required incident wave and have the best state of reception and therefore improve overall performance of GPR system. This project firstly has a research on the propagation characteristics of different polarized radar waves in layered lossy medium and near-field scattering characteristics of buried targets. This can provide theoretical basis for designing of MMs-based transmitting and receiving antennas. At the same time, we will have a research on specific electromagnetic characteristics of MMs lens, MMs back cavity and MMs polarization converter to control the propagation characteristics of electromagnetic wave. Secondly, the modified transmitting antennas with high performance can be realized by loading MMs lens and MMs back cavity. And modified receiving antennas with high Signal to Noise Ratio can be achieved by loading MMs polarization converter and MMs back cavity as well. Finally, we will conduct some experiment researches on MMs-based GPR system and have a comparative analysis of simulated and experimental results. This project not only enriches GPR's electromagnetic theory, but also provides a new application for MMs in GPR system. It has important theoretical significance and application value.

针对探地雷达波在有耗介质中的近场辐射、传播及散射对其性能的影响问题，本项目利用电磁超介质（Metamaterials，MMs）改善天线近场工作状态，设计所需的入射波和实现回波的最佳接收，提高探地雷达性能。首先，基于研究不同极化的雷达波在分层有耗介质中的传播以及埋体目标的近场散射特性，为MMs在探地雷达收/发天线的设计提供理论依据。同时，研究具有特定电磁特性的MMs透镜、MMs背腔和MMs极化转换器，以用于控制电磁波的传播特性。其次，通过在发射天线加载MMs透镜和MMs背腔实现对辐射波的控制，以提高天线增益和方向性；通过在接收天线加载MMs极化转换器和MMs背腔实现对不同极化波信号的调控，提高接收天线的信噪比。最后，完成加载超介质的探地雷达的实验研究，比较分析仿真与测试结果。本项目既充实了探地雷达的电磁理论，又提出了一种电磁超介质用于探地雷达的新技术，研究具有重要的理论意义和应用价值。

电磁超介质（Metamaterials，MMs）是一种人工结构材料。通过设计具有特定电磁参数的超介质，能够有效调控电磁波传播特性。为了研究电磁超介质在探地雷达中的应用，本项目利用仿真设计、模型制作和实验方法，开展了电磁超介质特性分析及其在天线、极化转换等器件中的应用研究。首先，项目组设计了多种加载电磁超介质天线如：加载负介电常数超表面的蝶形天线，带内增益大幅度提髙到了10.5dB左右，并且通过调整超介质反射板与天线之间的距离实现频率可调；为了提高传统探地雷达Vivaldi天线的增益和方向性，仿真设计并实验验证了一种在低频率零指数超材料(ZIM) ，将其嵌入到Vivaldi天线的开口处，仿真和实验结果表明，加载ZIM的Vivaldi天线在工作频带0.575 ～0.590 GHz内，增益提高了0.9 ～2.48dB，半功率波束宽度降低了10°。同时，项目组设计了一种梯度超表面起到传统“反射抛物面“的作用，实现了把球面波转换为平面波，波束宽度从85.9°减小到 13°，增益从6.5dB 增加到20.8 dB。其次，项目组仿真设计并实验验证了多种电磁波极化转换器如：基于F- shaped 、L-shaped 、U形单元和Archimedes螺旋单元结构，制作了反射型和透射型极化转换器，比传统极化转换器具有厚度薄，转换效率高等特点。同时，项目组开展了基于超介质的电磁诱导透明、Fano谐振、吸波器和传感器的研究，通过质模型仿真设计和实验测试，分析了电磁诱导透明、Fano谐振的物理机理、设计多种吸波器和传感器模型，探索了电磁超介质更广泛的应用领域。再次，项目组提出了一种基于FPGA 的数据采集系统的设计方案，用于采集探地雷达回波信号。FPGA 直接通过控制精密延时芯片MC100EP196 对采样脉冲进行延时调整，控制采样脉冲的延时步进，系统最大采样率理论值达到100 GS /s，并且时窗可以任意调整。.本项目研究充实了电磁超介质的理论、丰富了电磁超介质模型及其在探地雷达天线中的应用，又探索了电磁超介质在微波器件中的应用，研究具有重要的理论意义和应用价值。