探地雷达（GPR）作为浅地表地球物理探测的一种常见设备，可以对30m以浅的地下目标进行高分辨成像探测。近年来，全极化探地雷达（FP-GPR）技术逐步发展成为研究的热点。现有的FP-GPR主要采用天线阵同时/多次测量全极化信息进行等效探测，但其分别存在探测相位中心不一致或测量误差大的问题。因此，需要引入新的技术，以同时满足FP-GPR单次快速测量全极化信息且测量相位中心一致的需求，提高地下目标的成像质量。

针对上述科学问题，我校地球物理与信息技术学院博士研究生张启飞在导师郭林燕副教授的指导下，提出了用于FP-GPR的宽带可重构超表面，并结合Pauli极化合成方法，实现了全极化信息单次测量且相位中心一致的需求，获得了地下目标的真实图像，提高了成像质量。具体进展包括：

1 提出适用于FP-GPR的宽带可重构极化转换超表面。该超表面通过改变PIN二极管的开关状态，实现对电磁波极化状态的快速、动态调节，即在不依赖机械旋转的情况下完成电磁波多极化模式的转换，保持稳定的探测相位中心。

2 完成宽带可重构超表面在FP-GPR的全极化数据合成与现场实验。本研究通过搭建沙槽实验平台获得实测数据，并结合Pauli极化合成方法集成全极化信息。成像结果显示，Pauli极化合成方法在不同角度目标探测中均能显著提升图像清晰度与目标定位精度。

图1 基于宽带可重构超表面的FP-GPR探测示意图

图2 宽带可重构超表面的电磁透射/反射系数

图3 基于宽带可重构超表面的FP-GPR实验

图4 Applied Physics Letters期刊2025年第126卷第19期期刊封面

本研究设计了适用于FP-GPR的宽带可重构超表面，分析了电磁波极化对探地雷达成像清晰度和目标定位精度的影响，并进行现场实验验证了超表面在探地雷达探测增强中的可行性。本研究创新性地提出了基于电磁超表面的FP-GPR系统小型化设计方法与全极化信息融合策略，并将超表面调控技术从光学与信息处理领域拓展至地球物理探测应用领域。

该成果发表于应用物理领域著名期刊《Applied Physics Letters》，且被选为2025年第126卷第19期的封面和首页特色论文。该研究受到国家自然科学基金面上项目（42274189）和国家重点研发计划青年科学家项目（2024YFC2813700）的资助。Qifei Zhang, Yajun Zhou, Linyan Guo*, Rongyi Qian, Kai Chen. A Wideband Reconfigurable Metasurface for Full-Polarization GPR: Analysis and Field Trial. Applied Physics Letters, 126, 191703 (2025).

全文链接：https://doi.org/10.1063/5.0270962