相控阵探地雷达的相关理论研究

相控阵探地雷达是申请者在国际上首先提出，并在国家863计划课题的支持下所研制的一种新型探地雷达样机。该雷达采用聚束电磁波发射，以连续扫描的方式对目标体进行探测，并以阵列方式接收回波信号。由于其工作原理与现有探地雷达完全不同，因而迫切需要新的理论作为技术支持。本项目针对该雷达在863课题中基础理论研究工作的欠缺，提出更深入地开展其理论研究工作。拟开展的工作为：研究相控阵天线对地表浅层的近场辐射电磁理论模型及算法，模拟相控阵天线在地表浅层近场的有向波束形成及扫描；研究典型目标在近场有向波束照射典型目标在近场有向波束照射典型目标在近场有向波束照射下的近场散射模型和算法，模拟相控阵天线各单元接收近场散射信号的实际相位和幅度，最终建立起相控阵探地雷达探测地表浅层目标的电磁仿真模型，从而推动相控阵探地雷达研究的发展。

本项目首先研究了相控阵天线对地表浅层的近场辐射电磁理论模型及算法，建立了二维介质粗糙面下方三维金属目标的复合电磁散射模型. 基于矩量法（MOM）,使用三角分域基函数（RWG）和伽略金法将表面积分方程（PMCHW）方程和电场积分方程（EFIE）离散为矩阵方程，采用稳定的双共轭梯度迭代（BICGSTAB）算法对矩阵方程进行求解．针对矩阵向量积耗时的瓶颈问题，采用基于秩的多层矩阵分解法（MLUV）,对矩阵元素进行压缩存储节省内存，并加速迭代过程中的矩阵向量积运算。.针对探地雷达需要实现近场有向波束形成及扫描，本项目特别对超介质的电磁理论开展了研究，其目的主要是利用超介质对电磁波的可控性实现近场波聚束，提高探地雷达天线性能。为此，研究了基于组合法的双频带左手超介质的仿真设计与实验以及在天线中的应用研究。.最后，仿真设计并制作了一种可用于地表浅层探地雷达(GPR)的高增益蝶形天线，该天线在距离传统蝶形天线的背面60mm处放置一块金属反射板。金属反射板的添加抑制了天线的后向波辐射、提高了正向增益。数值仿真计算得该天线具有95.9%的相对带宽，相比传统蝶形天线，带内增益增加了4到7dB。同时初步研究了超材料频率选择反射面对传统蝶形天线的影响，分析了超材料对探地雷达阵列天线及微波器件等方面的应用前景。