一种低频探地雷达天线屏蔽装置的制作方法

本实用新型涉及雷达探测领域，尤其涉及一种低频探地雷达天线屏蔽装置。

背景技术：

我国探地雷达的研究工作开始于上世纪70年代中期，目前国内也有多家大学和研究机构也在研制和生产探地雷达；其中，低频探地雷达的发展满足了人们对深层地下目标的勘探，但同时带来了新的问题，现在商用的低频探地雷达天线多为收发分离，无屏蔽或半屏蔽天线，在电磁环境复杂的地区接收信号的信噪比很低，通过增加发射功率并采用先进的数据处理技术可一定程度增加信噪比，但实际上数据质量改善并不特别明显，探测效果依然不理想。

探地雷达的测深和分辨率主要受天线频率、发射功率、传播介质的电磁特性以及目标物的形状和大小影响。其中最重要的因素是天线频率，由于探地雷达采用高频电磁波探测，在高导介质中传播衰减较快，限制了雷达波的穿透能力，除了极地冰川和干燥的沙漠地区外，有效探测深度根据天线带宽的不同一般在50m以内，也有个别类型的低频探地雷达如英国GV6低频探地雷达，其天线中心频率 15MHz，最大探测深度可达200m；又如我国中科院电子学所研制的低频探地雷达系统有效探测深度可达100m以上，2012年-2014年，物化探所使用GV6低频探地雷达在青海木里地区对冻土层底界面的探测中显示可达130m，参与验证的井位在2013年也成功钻探出天然气水合物样品，彰显了低频探地雷达巨大的应用前景。

但是这样的探测环境往往是在一些空旷无干扰的地区，在人文干扰较大的地区并不适用，这是因为通常的探地雷达天线频率较高，天线较小，自带屏蔽装置(背腔)，而低频探地雷达由于天线相对较大，多属于收发分离无屏蔽的天线，容易受直达波和地面回波强噪声信号的干扰，另外，居民生活中的电话，电报，传真通信，短波国际广播等使用的部分电磁波频段在5-30MHz，属于低频探地雷达天线接收信号的有效频段，但也是干扰信号，这大大制约了低频探地雷达的探测效果。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种低频探地雷达天线屏蔽装置，主要目的是解决屏蔽干燥信号，提高信噪比。

为解决上述问题，本实用新型实施例提供了一种低频探地雷达天线屏蔽装置，所述屏蔽装置包括：长方体框架和片状金属网；所述长方体框架由多个棱柱互相连接形成，所述金属网通过铝合金扣条与所述长方体框架的棱柱扣接，所述金属网紧密包裹在所述长方体框架的除底面以外的其他五个面上并与所述长方体框架形成一整体；

所述长方体框架的长度为9.6m-12m，宽度为9.6m-12m，高度为3.5m-5.5m；

所述金属网的材料为高导电性金属和/或高导磁性金属；

所述金属网的网孔宽度为0.8cm-9.8cm，所述金属网的网丝直径为 0.05cm-0.2cm。

作为优选，所述长方体框架的长度为11m，宽度为11m，高度为5m。

作为优选，所述金属网的网孔宽度为0.8cm-1cm；所述金属网的网丝直径为 0.13cm-0.2cm。

作为优选，所述金属网的材料为紫铜、铁、铝或不锈钢。

作为优选，所述金属网的材料为铁。

作为优选，所述低频探地雷达天线的中心频率为15MHz，频带范围为 5-30MHz；所述长方体框架的材料为角钢，所述角钢的厚度为1.75mm。

作为优选，所述金属网是由五块长方形金属网块拼接形成，所述金属网块在所述长方体框架上安装时，相邻的两个金属网块在拼接处预留有重叠部分以减少孔缝电磁泄露。

作为优选，所述长方体框架的顶部竖向设一支架形成屋顶式结构，以避免在所述屏蔽装置内部设置支撑柱且同时保证所述屏蔽装置的结构稳定；所述支架由口字钢焊接形成。

作为优选，所述屏蔽装置的底部的相对的两个边上设有活动轮以便进行移动测量。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型针对国内低频探地雷达天线收发分离无屏蔽的现状，通过对装置的尺寸、材料及其细节结构进行特殊设计，并以天线中心频率为15MHz的低频天线屏蔽装置为主要研究对象，使得低频探地雷达系统可以有效屏蔽地面杂波的强干扰，提高雷达信号的信噪比，增加有效探测深度，扩展低频探地雷达的应用领域；且单个所述屏蔽装置结构承载铁丝网总重量在1.5吨以上且无形变；所述屏蔽装置采用钢结构，框架牢固稳定，底部设有活动轮，可承受牵引车拖曳，路况恶劣时，可在路面上增加导轨，可边铺边测量。所述屏蔽装置成本相对较低，实用性强。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的低频探地雷达天线屏蔽装置的一个结构示意图；图2为本实用新型实施例提供的低频探地雷达天线屏蔽装置的另一个结构示意图；图3为本实用新型实施例提供的低频探地雷达天线屏蔽装置的金属网平面示意图；图4为本实用新型实施例提供的低频探地雷达天线屏蔽装置支架的结构示意图；图5为本实用新型实施例提供的低频探地雷达天线屏蔽装置尺寸设计与干扰源的屏蔽干扰试验示意图。

附图标记：

1.方形体框架，101.铝合金扣条，102.棱柱，103.支架，2.金属网，3.活动轮，301. 口钢，302角钢，303.轴卡，304.肋板中，305.U型钢，306.肋板角，4导轨。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

如图1-图4所示，一种低频探地雷达天线屏蔽装置，上述屏蔽装置包括：长方体框架1和片状的金属网2；长方体框架1由多个棱柱102互相连接形成(具体由横向棱柱和竖向棱柱相互连接，形成的长方体至少具有8根横向棱柱，4根竖向棱柱)，上述金属网2通过铝合金扣条101与上述长方体框架1的棱柱102扣接；上述金属网2紧密包裹在上述方形框架1的除底面以外的其他五个面上并与上述长方体框架形成一整体(即金属网围绕长方体框架的棱柱外侧将长方体框架的顶面及四个侧面全部包裹起来，形成由金属网封面的长方体装置)；上述长方体框架的长度为9.6m-12m、宽度为9.6m-12m，高度为3.5m-5.5m；上述金属网2的材料为高导电性金属和/或高导磁性金属；上述金属网2的网孔宽度为0.8cm-9.8cm；上述金属网2的网丝直径为0.05cm-0.2cm。

上述屏蔽装置在电磁波频率为5MHz-30MHz的条件下的电磁屏蔽效能为 29-68dB。

作为上述实施例的优选，上述低频探地雷达天线的中心频率为15MHz，频带范围为5-30MHz，例如，上述低频探地雷达可为GV6低频探地雷达，其发射机和接收机尺寸较小，比啤酒瓶略大。

作为上述实施例的优选，上述金属网的材料为紫铜、铁、铝或不锈钢。屏蔽材料的选择直接影响着屏蔽效果，因此对于屏蔽材料的选择至关重要，上述选用的屏蔽材料对被屏蔽电磁波段有良好的屏蔽效果，耐腐蚀和机械性强，经济上合理，安装和使用方便。

屏蔽体性能的好坏通常用屏蔽效能(Shielding Effectiveness，SE)来衡量，它与屏蔽体材料的电导率、磁导率、被屏蔽电磁场的频率、屏蔽体离场源的距离、屏蔽体的结构等因素有关。

通过实验对比上述四种金属网材在5-30MHz电磁波下屏蔽效能，金属网的网孔尺寸5×5cm，径丝t＝0.2cm，孔宽W＝4.8cm，如表1所示。

表1不同材料金属网5-30MHz下屏蔽效能

由表1测试结果可知，四种金属材料作为金属网的材料均可达到很好的屏蔽效果。

作为上述实施例的优选，上述金属网的材料选择铁，优点是基于相同效果前提下，考虑到金属网的物理特性以及成本考虑，铁丝网更适合做屏蔽材料。

上述屏蔽材料选择片状网材而非板材，目的是网材既可达到屏蔽效果，又可通风、采光和维修便利的场合，从重量和成本方面考虑，网材也优于板材，因此选择金属网作为电磁屏蔽材料。

改变铁丝网的网孔尺寸，取丝网直径t＝0.2cm，分别计算孔宽W为9.8cm、 4.8cm、3.8cm、2.8cm、1.3cm、0.8cm的铁丝网在5MHz-30MHz电磁波下的屏蔽效能，见表2。

表2不同孔宽W铁丝网的屏蔽效能

由表2测试结果可知，孔宽小的铁丝网其屏蔽效果要比孔宽大的屏蔽效果好。

作为上述实施例的优选，上述金属网的网孔宽度为0.8cm-1cm；但要想达到 50dB的屏蔽效能，铁丝网孔宽W应不大于1cm。

选取网孔尺寸1×1cm的铁丝网，t取0.2cm、0.15cm、0.1cm、0.05cm分别计算其屏蔽效能，见表3。

表3不同丝径t铁丝网在不同频率下的屏蔽效能

由表3的测试结果可知，丝径大的屏蔽效果比丝径小的屏蔽效果好。

作为上述实施例的优选，上述金属网的网丝直径为0.13cm-0.2cm；但想要达到50dB以上的屏蔽效果，丝径t可选择大于0.13cm丝径的铁丝网。

由以上可知，金属网的屏蔽效能SE随着被屏蔽电磁波频率f的升高而降低；当铁丝网丝径t和被屏蔽电磁波频率f一定时，铁丝网屏蔽效能SE随孔宽W的减小呈现增高趋势。对于小网孔(W≤4.8cm)的铁丝网，孔宽小一些的铁丝网要比孔宽大的屏蔽效果好；铁丝网丝径t大的比丝径t小的屏蔽效果好。

综合表2和表3的测试数据，对于金属网的结构设计，优选为金属网的孔宽 W不大于1cm，丝径t大于0.13cm，金属网的材料为铁丝。

对于长方体框架的材料，经研究发现，优选角钢铁较合理，角钢铁厚度1.75mm (厂家固定厚度)，侧面有空洞，可用铁丝或螺丝钉固定，多根角钢铁叠加可增加装置结构强度，相互交错可调节角钢铁长度。

由于屏蔽装置顶面对天线的镜像作用是影响天线辐射性能的主要因素，屏蔽装置高度设计尤为关键，考虑到任何一个确定尺寸屏蔽装置对于宽带脉冲信号而言都是一个窄带系统，可以脉冲信号的最强频点(天线中心频率)来确定探地雷达天线屏蔽装置的高度。由天线理论可知，当加入屏蔽装置时，天线辐射的总场为：

E＝E₁(1-e^j2kh)

式中，E₁为天线自身的辐射电场，波数k＝2π/λ_c，λ_c是天线中心频率对应的波长；h为屏蔽装置高度，由上式可知，屏蔽装置高度不同，天线辐射总场不同。

根据欧拉公式：

e^jθ＝cosθ+j sinθ

探地雷达天线通常位于屏蔽装置的下端开口方，为使最大信号能量向下辐射，由上述两个计算公式可知当屏蔽装置的高度h＝λ_c/4时，E＝2E₁，总场最大；因此，对于GV6低频探地雷达天线中心频率f_c＝15MHz，其屏蔽装置高度h＝λ_c/4＝5m。

由于屏蔽装置侧壁的存在对天线的影响主要是其上的交叉极化感应电流，该感应电流对天线的互耦作用可在一定程度上影响天线的驻波性能和接收信号的波形，但对天线的辐射性能影响很小。因此对于屏蔽装置的长宽尺寸无特定要求，考虑天线远场区屏蔽，长宽尺寸应大于3.2m，具体最优尺寸可根据场地的实验结果进一步确定。

本实用新型设计了三种屏蔽装置的尺寸，长、宽、高分别设计为： 12m×12m×5m、11m×11m×5m、9.6m×9.6m×5m分别进行屏蔽干扰实验，并分析了相应的波形相关系数。实验采用静止观测方式，并在实验场地设置8个固定干扰点，如图5所示，图中黑色实心矩形表示干扰源的放置点，黑色实心矩形短轴方向代表铁板面的朝向，虚线矩形框代表不同屏蔽装置的尺寸。实验加入一干扰源，上述干扰源为一铁板，长2.6m，宽1.6m，厚0.5mm，具体实验过程为：

(1)无屏蔽实验

①发射天线在南，接收天线在北，无铁板干扰源情况下，进行数据采集；

②存在1-8号位铁板干扰源情况下，分别进行数据采集；

③调换收发天线的位置，是的接收天线在南，发射天线在北，重复步骤①和②；

对采集数据进行公式计算得出R值，测试数据如表4所示。

(2)有屏蔽实验

①在接收天线处搭建12m×12m×5m屏蔽装置，将发射天线至于屏蔽装置中心处，使得发射天线在南，接收天线在北，无铁板干扰源情况下，进行数据采集；

②存在1-8号位铁板干扰源情况下，分别进行数据采集；数据处理结果见表5所示。

③调换收发天线的位置，使得接收天线在南，发射天线在北，重复步骤①和②进行数据采集，数据处理结果如表6所示。

④搭建11m×11m×5m屏蔽装置，重复步骤①、②、③进行数据采集，数据处理如表7和表8所示。

⑤搭建9.6m×9.6m×5m屏蔽装置，重复步骤①、②、③进行数据采集；数据处理结果见表9和表10。

验数据处理：对场地实验采集的数据进行室内处理分析：

①静校正(Static Correction/muting)

主要是为了移除开始时间，祛除和地面没耦合好的影响，需将实验采集的时间记录减去200ns(厂家给的经验数据)。

②频谱分析(Spectral analysis)

对于探地雷达而言，采集的信号全是有限的离散数字序列，进行实际信号的频谱分析时，需要对信号进行二维傅里叶变换，将数据从时间域转变为频率域。

③绘制波形图

实验采用定点静止观测的方式进行数据采集，而GV6低频探地雷达只能进行线测，采集的数据是多道的时间记录，为了降低误差，对多道数据取平均使之成为单道数据，并绘制出相应波形图。

④波形相关分析

探地雷达信号是有源发射的确定性电磁波信号，不同尺寸屏蔽装置对接收电磁波波形的影响程度可通过波形相关程度进行分析。波形相关程度采用Pearson相关系数判别，它描述了两个定距变量间联系的紧密程度，一般用R进行表示，计算公式为：

若R＝0，则表示两列波波形完全不相关；R由0至1，表示两列波波形正相关程度越大，R＝1时，两列波波形变化完全一致；R由0至-1，表示两列波波形负相关程度越大，R＝-1时，两列波波形变化完全相反。

即R越接近1表示上述屏蔽装置抗干扰效果越好。

注：由于条件有限，场地实验只能进行收发天线单独屏蔽，接收天线R和发射天线T正南北向放置，R南T北代表接收天线在南，发射天线在北，R北T南代表接收天线在北，发射天线在南，下同。

表4无屏蔽情况下有干扰源与无干扰源波形相关系数

表5 12m×12m×5m屏蔽装置下信号波形相关系数(R南T北)

表6 12m×12m×5m屏蔽装置下信号波形相关系数(R北T南)

表7 11m×11m×5m屏蔽装置下信号波形相关系数(R南T北)

表8 11m×11m×5m屏蔽装置下信号波形相关系数(R北T南)

表9 9.6m×9.6m×5m屏蔽装置下信号波形相关系数(R南T北)

表10 9.6m×9.6m×5m屏蔽装置下信号波形相关系数(R北T南)

通过分析表4-表10的R数据,可以看出：

没有屏蔽装置时，发射天线在北，接收天线在南，或接收天线在北，发射天线在南两种情况下接收信号波形相关系数R变化波动较大，数值低，说明接收信号易受到外部近源干扰影响。

接收天线有屏蔽时，三种尺寸屏蔽装置下接收信号的波形相关系数R整体接近，接近0.9，波形相似度很高，说明这三种尺寸的屏蔽装置都能很好的对外部干扰进行屏蔽，理论上最佳尺寸是11m×11m×5m。

发射天线有屏蔽时，三种尺寸屏蔽装置下接收信号的波形相关系数R整体波动较大，呈台阶状分布，说明屏蔽装置尺寸对发射天线而言很重要，理论上最佳尺寸是11m×11m×5m。

作为上述实施例的优选，屏蔽装置长度为11m，宽度为11m，高度为5m，设计相对合理，即上述方形体框架的长度为11m，宽度为11m，高度为5m时，整个屏蔽装置的屏蔽效果相对最好。

作为上述实施例的优选，根据实际情况，金属网可以为一整张，全部将长方体框架覆盖，也可以分成几块，分别对长方体框架的每个面进行封面，鉴于成本和维修，将上述金属网设计为由五块长方形片状金属网块拼接形成，上述金属网块在上述方形体框架上安装时，相邻的两个金属网块在拼接处设有重叠部分以减少孔缝电磁泄露。

作为上述实施例的优选，金属网与长方体框架的连接是采用铝合金扣条将金属网以包边的形式与上述长方体框架的边上的支撑柱固定连接，即通过卡槽将金属网块相互拼接，如铝合金窗户的扣接。

作为上述实施例的优选，如图5所示，上述长方体框架的顶部竖向设有支架而形成房顶式结构，即该长方体被金属网包裹后，长方体装置的顶部形成斜面，类似于屋顶结构，且该斜面与水平面夹角较小，约为4°，上述支架由口字钢焊接形成；采用上述支架的目的是为了避免在上述屏蔽装置内部设置支撑柱的同时保证上述屏蔽装置的结构稳定。

作为上述实施例的优选，上述屏蔽装置框架所使用的口钢301、U型钢305、角钢302，包括肋板角306和肋板中304的铁片均为市面上常见的规则钢材，造价成本相对低。肋板角306和肋板中304使用粗螺丝或铆钉与屏蔽装置框架固定，必要时进行焊接加固。

作为上述实施例的优选，在屏蔽装置底面的四个边均采用U型钢305，开口向上，每一边底部各焊接有3个轴卡303，活动轮3两个为一组，以轴承相连，一个轴卡303与一组活动轮3相匹配，且活动轮3可以小幅度变向。一般相对的两边安装活动轮，另两个相对的边上不需要安装，当需要变向时则才需要在另两个相对的边上安装活动轮，安装成功后去掉之前的活动轮。

作为上述实施例的优选，上述屏蔽装置四周四个面下底部的框架上额外留孔，以便安装牵引支架，整个屏蔽装置需要牵引车给予拉力前行。如果条件允许轴卡部位可以改为万向轴。

本实用新型的GV6低频探地雷达天线通常位于上述屏蔽装置的下端开口方，四个侧壁不对天线形成镜像作用。

本实用新型针对国内低频探地雷达天线收发分离无屏蔽的现状，通过对装置的尺寸、材料及其细节结构进行特殊设计，并以天线中心频率为15MHz的低频天线屏蔽装置为主要研究对象，使得低频探地雷达系统可以有效屏蔽地面杂波的强干扰，提高雷达信号的信噪比，增加有效探测深度，扩展低频探地雷达的应用领域；且单个所述屏蔽装置结构承载铁丝网总重量在1.5吨以上且无形变；所述屏蔽装置采用钢结构，框架牢固稳定，底部设有活动轮，可承受牵引车拖曳，路况恶劣时，可在路面上增加导轨，可边铺边测量。所述屏蔽装置成本相对较低，实用性强。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利。