雷達(dá)硬件及采樣參數(shù)選取

1、第四章 探地雷達(dá)硬件,介紹探地雷達(dá)硬件系統(tǒng)，即采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。重點介紹探地雷達(dá)的控制單元、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)的基本原理。本文介紹的探地雷達(dá)采集系統(tǒng)以中國礦業(yè)大學(xué)（北京）自主研制的GR系列探地雷達(dá)為例。目前探地雷達(dá)的采集系統(tǒng)，其工作原理基本相同。,雷達(dá)采集系統(tǒng)的設(shè)計總體分為以下兩種：分離式設(shè)計和組合式設(shè)計。,分離式設(shè)計主要有兩種形式：（1）將天線發(fā)射控制器（發(fā)射機(jī)）和接收控制器（接收機(jī)）獨立出來，采用不同的天線與其配合使用。

2、 這種結(jié)構(gòu)成本低，但是由于接線較多，野外使用不方便。這種分離式設(shè)計常常在振子非屏蔽天線上使用。,50MHz 非屏蔽天線,,,發(fā)射天線,接收天線,4.1 探地雷達(dá)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu),（2）將控制采集的主機(jī)與控制單元分離，控制主機(jī)通過計算機(jī)的并口或串口與控制單元連接。 這種分離優(yōu)點是可以隨時更換主機(jī)，但是缺點也是接線太多，同樣不利于野外復(fù)雜地區(qū)使用。,控制單元,天線陣+GPS,主機(jī)+控制單元,主機(jī),GR－III 型探地雷達(dá)采集系統(tǒng)為

3、藍(lán)本進(jìn)行介紹，無論組合式設(shè)計還是分離式設(shè)計，其控制信號流程完全一致：,,,,,,,,,,,,,,發(fā)射子系統(tǒng),接收子系統(tǒng),控制單元系統(tǒng),微機(jī)系統(tǒng),1. 各系統(tǒng)主要功能,發(fā)射天線系統(tǒng)：控制單元系統(tǒng)的觸發(fā)下，利用雪崩開關(guān)方式進(jìn)行快速加壓，產(chǎn)生高壓窄脈沖電信號，并以此信號作為雷達(dá)發(fā)射控制脈沖，通過發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波。,接收天線系統(tǒng)：用接收天線接收高頻雷達(dá)反射波信號，通過高頻放大器進(jìn)行放大，然后在控制單元系統(tǒng)的觸發(fā)下，將放大信號后的通過采樣

4、頭進(jìn)行采樣保持，從而將高頻信號變成低頻信號由控制單元系統(tǒng)能夠進(jìn)行精確采樣。,控制單元系統(tǒng)：在微機(jī)系統(tǒng)的控制下，為發(fā)射天線系統(tǒng)和接收天線系統(tǒng)提供經(jīng)過精確定時的啟動觸發(fā)脈沖，同時對來自接收天線系統(tǒng)采樣保持后的雷達(dá)反射波信號進(jìn)行程控增益放大和A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字化雷達(dá)反射波信號通過微機(jī)系統(tǒng)總線存放到內(nèi)存中，供微機(jī)顯示、存儲、分析和處理。,微機(jī)系統(tǒng)：對探地雷達(dá)各子系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行管理、存儲、顯示。接收由控制單元系統(tǒng)采集得到的雷達(dá)數(shù)字信號

5、，并對這些信號進(jìn)行多種方法的信號處理。,2. 各系統(tǒng)之間的信號關(guān)系,,通過總線進(jìn)行信息的傳遞① 固定延遲參數(shù)，固定延遲控制發(fā)射脈沖的延遲時間。 ②步進(jìn)延遲參數(shù)，步進(jìn)延遲控制接收脈沖的精確步進(jìn)延遲。③采樣啟動信號。④傳送采樣數(shù)據(jù)。,單根50歐姆同軸電纜控制單元向發(fā)射天線系統(tǒng)發(fā)送負(fù)脈沖觸發(fā)信號,,,第一根50歐姆同軸電纜控制單元向發(fā)射天線系統(tǒng)發(fā)送負(fù)脈沖觸發(fā)信號,,第二根50歐姆同軸電纜接收機(jī)采樣保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡上，進(jìn)行

6、模數(shù)轉(zhuǎn)換,4.2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集基本原理,1. 信號分類,模擬信號——若 t 是定義在時間軸上的連續(xù)變量，則稱 x(t)為連續(xù)時間信號，即模擬信號。,離散時間信號——若 t 是僅在時間軸上的離散點取值，則稱 x(t) 為離散時間信號。將 x(t) 改記為x(nTs), Ts為兩點間的間隔時間，又稱采樣周期。 Ts歸一化為1時，可簡記為x(n)?！x散信號在時間上是離散的，但是其幅度在某一范圍內(nèi)可以是連續(xù)的。,數(shù)字信號——在時間和

7、幅度上都取離散值的信號。,2. 連續(xù)信號的離散化,在實際中工作中，信號的采樣（又稱為抽樣）是通過A/D轉(zhuǎn)換電路來實的，通過控制A/D轉(zhuǎn)換器在不同的時刻進(jìn)行采樣和量化，可以將連續(xù)信號x(t)變?yōu)閿?shù)字信號x(nTs)。,將連續(xù)信號變成梳子信號是獲取原始數(shù)據(jù)的重要手段之一，也是在計算機(jī)上實現(xiàn)數(shù)字信號處理的必要步驟。,,,,將x(t)變成離散信號x(nTs),維持x(t)信號的電平不變,將采樣信號量化為數(shù)字信號X(n),,關(guān)鍵步驟,4.2 探

8、地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集基本原理,連續(xù)時間信號x(t),(b) 沖激函數(shù)p(t),(c) 理想沖激抽樣函數(shù)x(n),,采樣步驟是通過沖激函數(shù)來完成的，,理想沖擊函數(shù)的形式：,,,,當(dāng),時，,為抽樣間隔,,4.2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集基本原理,3. 等效采樣,,4.2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集基本原理,在A/D轉(zhuǎn)換過程中，目前使用的A/D轉(zhuǎn)換器采樣速度都不快，16bit的A/D其采樣率在200KHz左右，則一個采樣間隔大約為5微秒，而發(fā)射脈沖的時間是非常短

9、的，一個發(fā)射脈沖僅有幾到幾百納秒。 因此，如何用時間間隔長得多的采樣信號來采集較短的發(fā)射信號脈沖，是探地雷達(dá)采集技術(shù)的難點。,——通過使用等效采樣的方法，來實現(xiàn)這種高頻模擬信號的數(shù)字化。,1、發(fā)射脈沖間隔時間太短（納秒級），采樣間隔大于發(fā)射脈沖（微秒級）； ——無法對應(yīng)直接采樣并保持；2、發(fā)射脈沖具有重復(fù)性（周期為Ta）。 ——可以通過多次采樣，重塑原發(fā)射脈沖。3、步進(jìn)延時（Ts）在

10、極小的時間范圍內(nèi)（皮秒級）可控 ——可以實現(xiàn)每次采集不同時間位置的發(fā)射脈沖信號。,等效采樣過程示意圖,等效采樣適用的幾個條件：,,,,采樣間隔,發(fā)射脈沖周期,,1、第一次采樣時間為周期原點（0時刻）；2、經(jīng)過kTa+Ts時間后，進(jìn)行第二次采樣；3、經(jīng)過kTa+2Ts時間后，進(jìn)行第三次采樣；……N、經(jīng)過kTa+(N-1)Ts時間后，進(jìn)行第N次采樣?！猅s因每次采樣都會增加一個單位，稱其為步進(jìn)延時。,4. 步進(jìn)延

11、時與固定延時的作用,步進(jìn)延時用于啟動接收天線和A/D轉(zhuǎn)換器工作，它能夠精確控制A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時刻，每采一個樣點其數(shù)值改變一次。,等效采樣實現(xiàn)過程,在等效采樣過程中，由于每次采樣保持動作的開始時刻與上一次采樣保持動作的開始時刻相比，僅增加一個Ts, 該Ts即等效于雷達(dá)反射波信號相鄰兩個樣點的采樣間隔，因此像是每一次的采樣時刻都在“步進(jìn)”，所以我們將用于控制啟動接收天線采樣保持的定時器稱為步進(jìn)延時器。,——需要滿足nTs > Tl

12、ength ，即步進(jìn)延時控制范圍需大于雷達(dá)波反射信號時長Tlength，以保證能接收到完整的雷達(dá)波反射信號?！猲為探地雷達(dá)的采樣點數(shù)（采樣率） 通常在Ts精度極短且可控的條件下，采樣點數(shù)n可以很大，在采集時可將其設(shè)置為256點、512點、1024點或2048點等。,固定延時主要功能與步進(jìn)延時類似。 不同的是，其輸出脈沖用于啟動發(fā)射天線系統(tǒng)，控制發(fā)射高頻高壓雷達(dá)脈沖信號。 該延時也是可編程的，它主要

13、用來消除電路自身和傳輸線路帶來的時滯影響（包括發(fā)射時滯和接收時滯），使得發(fā)射啟動信號與接收啟動信號之間的時間差控制在有效范圍內(nèi)。 之所以稱為固定延時，是因為在對一個完整雷達(dá)反射波的多次采樣過程中，其延時始終是一個固定值。,根據(jù)步進(jìn)延時中的要求： 由于需要nTs > Tlength以保證接收信號采樣的完整性，則nTs – Tlength= Tallow 為采集時間裕量，它表明了采集雷達(dá)反射波信號時第一個采樣點

14、允許的最遲的開始采樣時刻。,,對于發(fā)射過程——在沒有外加人為延時的情況下，Ttran的時滯即等于對發(fā)射天線發(fā)出啟動信號，到發(fā)出雷達(dá)波的脈沖時間間隔；對于接收過程——雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)出啟動信號到接收天線系統(tǒng)發(fā)出雷達(dá)脈沖波的采樣保持信號時的時間間隔是“接收時滯”+“第k次步進(jìn)延時的時間” ，即Trcv + kTs,,發(fā)射電路時滯,,Trcv + kTs,Ttran為發(fā)射時滯：發(fā)出啟動信號，到發(fā)射天線發(fā)射出雷達(dá)脈沖波的時間間隔。 Trcv

15、為接收時滯：發(fā)出啟動信號，到接收天線開始發(fā)射采樣脈沖的時間，包括接收電路本身的時滯，和反射波在介質(zhì)中的旅行時間Ttravel——隨深度變化而增大。,當(dāng)Ttran > Trcv + nTs – Tlength 即 Ttran > Trcv + Tallow即 “發(fā)射電路時滯”大于“第一個采樣點允許的最遲開始采樣時刻”時，說明當(dāng)整個一道數(shù)據(jù)的n次采樣全部完成時，還有一部分反射波的尾部信號沒有被采集。,,情況1,當(dāng)Ttran

16、 > Trcv + nTs 時，則對于任何一次采樣，接收電路總是先于發(fā)射電路工作，即每一次采樣過程都提前開始，最后第n次采樣也不能采集到雷達(dá)反射波的頭部信號，為空采集。,,,情況2,情況3,當(dāng)Ttran < Trcv 時，則說明對于前面若干次采樣發(fā)射電路會先于接收電路工作，因此，雷達(dá)反射波的頭部信號也不能被采集到。,情況4,當(dāng)Ttran < Trcv - Tlength 時，對于任何一次采樣，發(fā)射脈沖和反射波信號已經(jīng)結(jié)

17、束，接收電路還沒有開始工作，同樣為空采集。,正確采樣情況,當(dāng)Trcv < Ttran < Trcv + Tallow = Trcv + nTs - Tlength時，才可以保證采集到整個反射波信號。由于：1、Trcv中有步進(jìn)延時的初始延遲 Tc（較大），2、Trcv中有反射波旅行時間Ttravel，隨深度增大而變大。 ——必須在發(fā)射電路時滯Ttran的基礎(chǔ)上增加固定延時，以啟動發(fā)射脈沖。

18、 固定延時的最大值為 Tcmax,,,,,4.3 探地雷達(dá)控制單元系統(tǒng),探地雷達(dá)控制單元任務(wù)：① 對來自接收天線系統(tǒng)的高頻雷達(dá)反射波信號進(jìn)行數(shù)字化；② 為系統(tǒng)各部件分配地址端口、提供啟動信號和必要的控制信號。,探地雷達(dá)控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)高頻雷達(dá)反射波信號的數(shù)字化和為系統(tǒng)各部件分配地址端口、提供啟動信號和必要的控制信號。,（1）初始化過程：設(shè)置包括固定延時控制、采樣樣點數(shù)、疊加次數(shù)

19、等在內(nèi)的靜態(tài)參數(shù)。（2）設(shè)定步進(jìn)延時控制字：步進(jìn)延時控制字本質(zhì)上用于控制等效采樣間隔，因此每個樣點變化一次。步進(jìn)延時控制字需要送往D/A轉(zhuǎn)換器，并通過D/A轉(zhuǎn)換器間接實現(xiàn)延時控制。由于D/A轉(zhuǎn)換器需要一定的穩(wěn)定時間，因此設(shè)置步進(jìn)延時控制字之后，需要等待D/A輸出穩(wěn)定。（3）啟動A/D轉(zhuǎn)換并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果：發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動信號后，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。（4）判斷數(shù)據(jù)采集過程轉(zhuǎn)換結(jié)束否：樣點計數(shù)減1；如果不為0，則轉(zhuǎn)至過程（2），

20、進(jìn)行下一個樣點的數(shù)據(jù)采集；否則，本道數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束。,采樣流程圖,探地雷達(dá)工作時序,4.4 接收及發(fā)射子系統(tǒng),探地雷達(dá)實際采樣信號很弱，如何將弱信號采集保持，并將保持?jǐn)?shù)據(jù)供給采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，這是接收機(jī)必須解決的問題。 接收機(jī)的功能：是通過采樣頭將高頻信號變成低頻信號，通過二次采樣對信號進(jìn)行保持。,接收控制器,探地雷達(dá)接收機(jī),探地雷達(dá)發(fā)射機(jī),發(fā)射機(jī)主要功能是產(chǎn)生上升時間極短的電磁脈沖。,發(fā)射控制器,探地雷達(dá)天線,

21、目前探地雷達(dá)采用天線主要有微帶蝶形天線和振子天線兩種，因為這兩種天線具有較寬的頻帶。 ——屏蔽天線常采用微帶蝶形天線，主要應(yīng)用于2000MHz到100MHz天線之間。 ——非屏蔽天線常用拉桿振子天線為主，主要應(yīng)用于50MHz到20MHz天線之間。,微帶蝶形天線輻射面,4.5 探地雷達(dá)采集,1. 探地雷達(dá)采集參數(shù)設(shè)定,GR探地雷達(dá)采集界面,文件序號：文件序號為文本輸入編輯框，可直接輸入?yún)?shù)（在使用外設(shè)

22、鍵盤情況下）或通過鍵盤上方向鍵進(jìn)行更改。,文件路徑：文件路徑默認(rèn)C:\data,,,觸發(fā)方式，有“時間觸發(fā)”“測量輪觸發(fā)”“單點觸發(fā)”等兩種觸發(fā)采集的方式，可根據(jù)實際需要進(jìn)行選擇?！皶r間觸發(fā)”時，系統(tǒng)在采集時連續(xù)觸發(fā)。此時可以通過回車鍵或打標(biāo)控制器打標(biāo)來定位?！皢吸c觸發(fā)”時，系統(tǒng)在采集時單點觸發(fā)，由回車鍵或打標(biāo)控制器控制觸發(fā)信號?！皽y量輪觸發(fā)”時必須接測量輪裝置，由測量輪控制采集進(jìn)程。“全”表示測量輪不分正反轉(zhuǎn)，

23、只要測量輪旋轉(zhuǎn)采集就可進(jìn)行；“正轉(zhuǎn)”表示僅測量輪在前進(jìn)時進(jìn)行采集，主要在路面高速采集時使用?！皽y量輪脈沖距離”控制采樣道間距，可直接輸入數(shù)值（脈沖數(shù)）。,‘’,,采樣點數(shù)有 “512”“1024”“2048”等三個選項供用戶選擇。,采樣點：對模擬信號進(jìn)行A/D采樣時，每秒鐘對信號采樣的點數(shù)，選擇速度越大，則信號精度越高，天線需要移動越慢。,,,采樣時窗:該參數(shù)提供確定數(shù)據(jù)采樣的時間長度。時窗越大，則所采數(shù)據(jù)的深度越深，當(dāng)然要根據(jù)天線

24、的主頻來設(shè)置。,,疊加次數(shù)：該參數(shù)提供確定數(shù)據(jù)采樣的疊加次數(shù)，在疊加次數(shù)越大，壓制隨機(jī)干擾的效果越明顯，但是也需要開銷更多的時間進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣（即采集速度越慢）。,延遲調(diào)節(jié)：該功能確定采樣數(shù)據(jù)發(fā)射與接收信號之間延遲量的大小。 ——固定延時調(diào)節(jié)。,,前放：前置放大器，信號放大倍數(shù)。,,2. GR系列雷達(dá)采集界面,GR系列主機(jī)采集界面,采集參數(shù)設(shè)置界面,打標(biāo)功能,,,標(biāo)記點,顯示參數(shù)設(shè)置界面,變面積顯示,曲線顯示,彩色剖面顯示,,

25、,,3. 雷達(dá)采集參數(shù)確定,(1) 天線中心頻率,中心頻率關(guān)系到雷達(dá)天線的主要探測目標(biāo)的深度，天線頻率越低則探測深度越深，但是分辨率也相應(yīng)降低；反之，天線頻率越高，探測分辨率越高，但是探測深度相對較淺。因此，天線中心頻率的選擇首先需要滿足探測深度，使用更高分辨率的高頻天線次之，還要兼顧天線尺寸是否符合探測現(xiàn)場的要求。,,為空間分辨率(單位為m)， 是介質(zhì)的相對介電常數(shù)。,① 當(dāng)探測深度d >15m 時，一般選用中心頻率f