Impulse ground-penetrating radar antenna design and optimization for homogeneous and low-loss dielectric multilayer media

Abstract

A avaliação não destrutiva de meios multicamadas representa um problema eletromagnético inverso que pode ser resolvido com métodos no domínio do tempo ou da frequência, sendo o primeiro mais largamente utilizado. Técnicas de solução no domínio do tempo são populares pois permitem o uso de equações simples e diretas para a obtenção das propriedades das camadas a partir das medições do radar de subsolo (GPR). Para isso são necessárias duas suposições: assume-se que os dielétricos são não magnéticos, de baixa perda e que as camadas são lineares, isotrópicas e homogêneas. Porém, a qualidade dos resultados depende diretamente da correta detecção dos picos de reflexão medidos pelo GPR, o que pode inviabilizar a técnica quando existe sobreposição entre algumas das componentes do sinal recebido pelo GPR. Nesse contexto, esta tese propôs uma nova metodologia prática para obter os requisitos de projeto da antena (frequência de operação e resposta temporal) que evitem a sobreposição de pulsos refletidos. A metodologia é baseada na análise do sinal de alimentação da antena e na estrutura multicamadas avaliada. A principal contribuição é que a metodologia proposta possibilita a produção de antenas específicas para o problema de multicamadas examinado, servindo como um guia prático para o projeto de antenas GPR. Foi escolhido um pavimento flexível típico composto por três camadas sobrepostas (asfalto, base e subleito) para mostrar como a metodologia pode ser utilizada para obter os requisitos da antena. Uma vez obtidos os requisitos da antena, topologias candidatas foram selecionadas e duas abordagens de otimização foram propostas e avaliadas: a primeira consiste na otimização no domínio da frequência de um problema multiobjetivo baseado em funções objetivo tradicionais (casamento de impedância e ganho), e a segunda abordagem de otimização utiliza um solucionador eletromagnético no domínio do tempo para avaliar uma nova proposta de função objetivo diretamente no domínio do tempo (a amplitude do pulso recebido). Como resultado da otimização no domínio da frequência, uma antena monopolo de microfita diretiva e de banda ultralarga (UWB) com dispersão admissível foi obtida de acordo com as especificações de projeto extraídas do problema de teste. A simulação da antena foi comparada e validada com medições da mesma realizadas em um ambiente não anecoico. Por sua vez, a otimização da nova função objetivo, aplicada a duas topologias de antenas diferentes (monopolo de microfita e Vivaldi) permitiu obter soluções compactas que atenderam ao requisito da antena no domínio do tempo. Além disso, simulações desse problema de otimização mostraram que a nova função objetivo representa uma alternativa à abordagem de otimização multiobjetivo tradicional. Além disso, a definição de uma única função objetivo facilita o processo de projeto da antena evitando problemas de convergência e qualquer processo posterior de tomada de decisão.