铁氧体加载对钻孔雷达环形天线阵方向估计的负面影响研究

《IEEE Transactions on Human-Machine Systems》：Influence of ferrite loading on feeding lines near a loop array antenna in a borehole

本刊推荐：为解决铁氧体磁珠加载在钻孔雷达环形天线阵馈线上是否影响波达方向(DOA)估计的问题，研究人员开展了铁氧体加载对馈线影响的主题研究。通过数值模拟和现场跨孔实验发现，铁氧体加载会导致方位角估计误差增大30°-120°，这与传统认知相悖。该研究对钻孔雷达天线设计具有重要指导意义。

　　

在矿产资源勘探和地下工程勘察领域，钻孔雷达技术发挥着至关重要的作用。这种技术通过将天线放入钻孔中，向周围介质发射电磁波并接收回波，从而探测地下结构。传统的钻孔雷达多采用偶极天线，但其辐射模式是全向的，无法准确判断目标体的方位。为解决这一问题，研究人员开发了定向天线阵，其中环形天线阵因其对水平极化波的特异性响应而受到关注。

在钻孔雷达天线设计中，一个长期存在的技术难题是如何减少馈线与天线之间的相互干扰。铁氧体加载技术被广泛认为是解决这一问题的有效手段，它通过在馈线上加载铁氧体磁珠来抑制不必要的电磁散射。这一技术在过去几十年中成功应用于偶极天线阵的钻孔雷达系统中，并取得了良好效果。然而，当这一技术被移植到环形天线阵系统时，却出现了意想不到的问题。

这项研究源于一个看似矛盾的现象：按照传统设计理念，铁氧体加载应该改善天线性能，但在环形天线阵的实际应用中却可能导致方向估计精度的下降。研究人员通过理论分析和实验验证，揭示了这一现象背后的物理机制，为钻孔雷达天线设计提供了新的理论依据。

为了探究铁氧体加载对环形天线阵性能的影响，研究团队采用了数值模拟与现场实验相结合的方法。在数值模拟方面，他们使用基于有限差分时域法(FDTD)的商业软件Poynting，建立了包含四个环形天线元的阵列模型。该模型考虑了钻孔内的多层介质结构，包括中心导体筒(CCC)、水填充钻孔和天线外壳等要素。关键创新点在于引入了铁氧体环的等效磁电流密度模型，通过公式J_m=jω(μ-μ₀)H描述了铁氧体在电磁场作用下的响应特性。

在现场实验部分，研究团队选择在大阪电气通信大学根岸校区的试验场进行跨孔测量。该场地具有多个充水钻孔，介质为土壤环境。实验设计了四种不同的天线布置方案，通过改变发射端和接收端的位置，系统评估了有无铁氧体加载条件下环形天线阵的DOA估计性能。实验中使用的工作频率为150MHz，符合典型钻孔雷达的频段要求。

数值模拟结果

通过计算机仿真，研究人员首先对比了有无铁氧体加载情况下环形天线阵的信号响应特性。在无铁氧体加载时，四个天线元接收到的信号波形相似，仅存在微小的到达时间差。基于这些时间差估计的波达方向为方位角12.8°和俯仰角89.9°，与真实值(0°和90°)接近，误差在可接受范围内。

然而，当在中心导体筒上加载铁氧体环后，情况发生了显著变化。虽然时域信号波形仍然保持相似性，但方位角估计值出现了约30°的偏差。这一现象被归因于铁氧体材料产生的等效磁电流密度J_m，该电流在环形天线周围产生额外的散射场，干扰了原始的电磁波前，从而导致到达时间差的测量误差。

误差分析结果

研究人员进一步分析了天线间距对估计误差的影响。结果显示，无论天线间距如何变化（从3cm到14cm），铁氧体加载都会导致显著的方位角估计误差。特别是在最小间距3cm时，无铁氧体加载的误差主要来源于天线间的互耦效应，而有铁氧体加载时的误差则明显更大。这表明铁氧体引入的散射干扰远超过天线间互耦的影响，成为误差的主要来源。

现场实验结果

野外实测数据验证了数值模拟的结论。在无铁氧体加载条件下，环形天线阵的方位角估计误差小于25°，表现出良好的方向识别能力。典型实验结果显示，当真实方位角为180°时，估计值为187°，误差仅为7°，在工程应用可接受范围内。

然而，当在馈线上加载铁氧体磁珠后，方位角估计出现了严重偏差。在相同实验条件下，估计值偏离真实值达115°（从180°到295°）。这一误差远远超过了无铁氧体加载时的水平，且在不同频率（100MHz、150MHz、200MHz）下都保持一致趋势。值得注意的是，俯仰角估计的误差相对较小，这可能与天线阵列在垂直方向和水平方向的空间尺寸差异有关。

误差统计结果

通过对多次实验数据的统计分析，研究人员得出了更具普遍性的结论。在无铁氧体加载条件下，方位角估计误差始终保持在25°以内，表现出稳定的性能。而在铁氧体加载条件下，误差范围扩大至30°-120°，且在不同实验配置下都表现出较大波动性。这一结果证实了铁氧体加载对环形天线阵DOA估计的负面影响具有普遍性，而非特定条件下的偶然现象。

本研究通过系统的数值模拟和现场实验，明确揭示了铁氧体加载对钻孔雷达环形天线阵性能的负面影响。理论分析表明，这种影响源于铁氧体材料在电磁场作用下产生的等效磁电流，该电流会干扰原始的波前结构，导致波达方向估计误差增大。

这一发现对钻孔雷达技术发展具有重要意义。首先，它纠正了长期以来认为铁氧体加载总是有益的传统观念，指出在环形天线阵系统中需要谨慎使用这一技术。其次，研究结果为钻孔雷达天线设计提供了新的指导原则：在环形天线阵中应避免将铁氧体材料置于天线附近，以减少不必要的电磁散射。

此外，该研究还展示了多学科方法在解决工程技术问题中的价值。通过将电磁理论分析、数值模拟和现场实验有机结合，研究人员不仅揭示了现象背后的物理机制，还提供了具有实用价值的工程指导。这一研究范式为类似的技术问题提供了可借鉴的解决方案。

从更广阔的角度看，这项研究促进了钻孔雷达技术向更高精度方向发展。随着对地下探测精度要求的不断提高，对天线性能的深入理解变得愈发重要。本研究为开发更精确、更可靠的钻孔雷达系统奠定了理论基础，对矿产资源勘探、地质灾害预警等应用领域都具有积极推动作用。