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(jì)與實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)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(guó)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(jì)總體分為以下兩種：分離式設(shè)計(jì)和組合式設(shè)計(jì)。,分離式設(shè)計(jì)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(dú)立出來(lái)，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(jì)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(guò)計(jì)算機(jī)的并口或串口與控制單元連接。 這種分離優(yōu)點(diǎn)是可以隨時(shí)更換主機(jī)，但是缺點(diǎn)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(wú)論組合式設(shè)計(jì)還是分離式設(shè)計(jì)，其控制信號(hào)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(hào)，并以此信號(hào)作為雷達(dá)發(fā)射控制脈沖，通過(guò)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(hào)，通過(guò)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(hào)后的通過(guò)采樣

4、頭進(jìn)行采樣保持，從而將高頻信號(hào)變成低頻信號(hào)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(guò)精確定時(shí)的啟動(dòng)觸發(fā)脈沖，同時(shí)對(duì)來(lái)自接收天線系統(tǒng)采樣保持后的雷達(dá)反射波信號(hào)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(hào)通過(guò)微機(jī)系統(tǒng)總線存放到內(nèi)存中，供微機(jī)顯示、存儲(chǔ)、分析和處理。,微機(jī)系統(tǒng)：對(duì)探地雷達(dá)各子系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行管理、存儲(chǔ)、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(hào)

5、，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行多種方法的信號(hào)處理。,2. 各系統(tǒng)之間的信號(hào)關(guān)系,,通過(guò)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(shí)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(dòng)信號(hào)。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(hào),,,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(hào),,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(hào)分類,模擬信號(hào)——若 t 是定義在時(shí)間軸上的連續(xù)變量，則稱 x(t)為連續(xù)時(shí)間信號(hào)，即模擬信號(hào)。,離散時(shí)間信號(hào)——若 t 是僅在時(shí)間軸上的離散點(diǎn)取值，則稱 x(t) 為離散時(shí)間信號(hào)。將 x(t) 改記為x(nTs), Ts為兩點(diǎn)間的間隔時(shí)間，又稱采樣周期。 Ts歸一化為1時(shí)，可簡(jiǎn)記為x(n)?！x散信號(hào)在時(shí)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(hào)——在時(shí)間和

7、幅度上都取離散值的信號(hào)。,2. 連續(xù)信號(hào)的離散化,在實(shí)際中工作中，信號(hào)的采樣（又稱為抽樣）是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路來(lái)實(shí)的，通過(guò)控制A/D轉(zhuǎn)換器在不同的時(shí)刻進(jìn)行采樣和量化，可以將連續(xù)信號(hào)x(t)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)x(nTs)。,將連續(xù)信號(hào)變成梳子信號(hào)是獲取原始數(shù)據(jù)的重要手段之一，也是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的必要步驟。,,,,將x(t)變成離散信號(hào)x(nTs),維持x(t)信號(hào)的電平不變,將采樣信號(hào)量化為數(shù)字信號(hào)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(shí)間信號(hào)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(guò)沖激函數(shù)來(lái)完成的，,理想沖擊函數(shù)的形式：,,,,當(dāng),時(shí)，,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(guò)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(gè)采樣間隔大約為5微秒，而發(fā)射脈沖的時(shí)間是非常短

9、的，一個(gè)發(fā)射脈沖僅有幾到幾百納秒。 因此，如何用時(shí)間間隔長(zhǎng)得多的采樣信號(hào)來(lái)采集較短的發(fā)射信號(hào)脈沖，是探地雷達(dá)采集技術(shù)的難點(diǎn)。,——通過(guò)使用等效采樣的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)這種高頻模擬信號(hào)的數(shù)字化。,1、發(fā)射脈沖間隔時(shí)間太短（納秒級(jí)），采樣間隔大于發(fā)射脈沖（微秒級(jí)）； ——無(wú)法對(duì)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(guò)多次采樣，重塑原發(fā)射脈沖。3、步進(jìn)延時(shí)（Ts）在

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

11、時(shí)與固定延時(shí)的作用,步進(jìn)延時(shí)用于啟動(dòng)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(shí)刻，每采一個(gè)樣點(diǎn)其數(shù)值改變一次。,等效采樣實(shí)現(xiàn)過(guò)程,在等效采樣過(guò)程中，由于每次采樣保持動(dòng)作的開始時(shí)刻與上一次采樣保持動(dòng)作的開始時(shí)刻相比，僅增加一個(gè)Ts, 該Ts即等效于雷達(dá)反射波信號(hào)相鄰兩個(gè)樣點(diǎn)的采樣間隔，因此像是每一次的采樣時(shí)刻都在“步進(jìn)”，所以我們將用于控制啟動(dòng)接收天線采樣保持的定時(shí)器稱為步進(jìn)延時(shí)器。,——需要滿足nTs > Tl

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

13、用來(lái)消除電路自身和傳輸線路帶來(lái)的時(shí)滯影響（包括發(fā)射時(shí)滯和接收時(shí)滯），使得發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)與接收啟動(dòng)信號(hào)之間的時(shí)間差控制在有效范圍內(nèi)。 之所以稱為固定延時(shí)，是因?yàn)樵趯?duì)一個(gè)完整雷達(dá)反射波的多次采樣過(guò)程中，其延時(shí)始終是一個(gè)固定值。,根據(jù)步進(jìn)延時(shí)中的要求： 由于需要nTs > Tlength以保證接收信號(hào)采樣的完整性，則nTs – Tlength= Tallow 為采集時(shí)間裕量，它表明了采集雷達(dá)反射波信號(hào)時(shí)第一個(gè)采樣點(diǎn)

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

15、為接收時(shí)滯：發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，到接收天線開始發(fā)射采樣脈沖的時(shí)間，包括接收電路本身的時(shí)滯，和反射波在介質(zhì)中的旅行時(shí)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(shí)滯”大于“第一個(gè)采樣點(diǎn)允許的最遲開始采樣時(shí)刻”時(shí)，說(shuō)明當(dāng)整個(gè)一道數(shù)據(jù)的n次采樣全部完成時(shí)，還有一部分反射波的尾部信號(hào)沒有被采集。,,情況1,當(dāng)Ttran

16、 > Trcv + nTs 時(shí)，則對(duì)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(guò)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(hào)，為空采集。,,,情況2,情況3,當(dāng)Ttran < Trcv 時(shí)，則說(shuō)明對(duì)于前面若干次采樣發(fā)射電路會(huì)先于接收電路工作，因此，雷達(dá)反射波的頭部信號(hào)也不能被采集到。,情況4,當(dāng)Ttran < Trcv - Tlength 時(shí)，對(duì)于任何一次采樣，發(fā)射脈沖和反射波信號(hào)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(shí)，才可以保證采集到整個(gè)反射波信號(hào)。由于：1、Trcv中有步進(jìn)延時(shí)的初始延遲 Tc（較大），2、Trcv中有反射波旅行時(shí)間Ttravel，隨深度增大而變大。 ——必須在發(fā)射電路時(shí)滯Ttran的基礎(chǔ)上增加固定延時(shí)，以啟動(dòng)發(fā)射脈沖。

18、 固定延時(shí)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(duì)來(lái)自接收天線系統(tǒng)的高頻雷達(dá)反射波信號(hào)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(dòng)信號(hào)和必要的控制信號(hào)。,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(shí)現(xiàn)高頻雷達(dá)反射波信號(hào)的數(shù)字化和為系統(tǒng)各部件分配地址端口、提供啟動(dòng)信號(hào)和必要的控制信號(hào)。,（1）初始化過(guò)程：設(shè)置包括固定延時(shí)控制、采樣樣點(diǎn)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(shí)控制字：步進(jìn)延時(shí)控制字本質(zhì)上用于控制等效采樣間隔，因此每個(gè)樣點(diǎn)變化一次。步進(jìn)延時(shí)控制字需要送往D/A轉(zhuǎn)換器，并通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器間接實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制。由于D/A轉(zhuǎn)換器需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，因此設(shè)置步進(jìn)延時(shí)控制字之后，需要等待D/A輸出穩(wěn)定。（3）啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果：發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)后，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。（4）判斷數(shù)據(jù)采集過(guò)程轉(zhuǎn)換結(jié)束否：樣點(diǎn)計(jì)數(shù)減1；如果不為0，則轉(zhuǎn)至過(guò)程（2），

20、進(jìn)行下一個(gè)樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集；否則，本道數(shù)據(jù)采集過(guò)程結(jié)束。,采樣流程圖,探地雷達(dá)工作時(shí)序,4.4 接收及發(fā)射子系統(tǒng),探地雷達(dá)實(shí)際采樣信號(hào)很弱，如何將弱信號(hào)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(wèn)題。 接收機(jī)的功能：是通過(guò)采樣頭將高頻信號(hào)變成低頻信號(hào)，通過(guò)二次采樣對(duì)信號(hào)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(shí)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?yàn)檫@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(hào)：文件序號(hào)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(guò)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(shí)間觸發(fā)”“測(cè)量輪觸發(fā)”“單點(diǎn)觸發(fā)”等兩種觸發(fā)采集的方式，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。——“時(shí)間觸發(fā)”時(shí)，系統(tǒng)在采集時(shí)連續(xù)觸發(fā)。此時(shí)可以通過(guò)回車鍵或打標(biāo)控制器打標(biāo)來(lái)定位?！皢吸c(diǎn)觸發(fā)”時(shí)，系統(tǒng)在采集時(shí)單點(diǎn)觸發(fā)，由回車鍵或打標(biāo)控制器控制觸發(fā)信號(hào)?！皽y(cè)量輪觸發(fā)”時(shí)必須接測(cè)量輪裝置，由測(cè)量輪控制采集進(jìn)程?！叭北硎緶y(cè)量輪不分正反轉(zhuǎn)，

23、只要測(cè)量輪旋轉(zhuǎn)采集就可進(jìn)行；“正轉(zhuǎn)”表示僅測(cè)量輪在前進(jìn)時(shí)進(jìn)行采集，主要在路面高速采集時(shí)使用。“測(cè)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(diǎn)數(shù)有 “512”“1024”“2048”等三個(gè)選項(xiàng)供用戶選擇。,采樣點(diǎn)：對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D采樣時(shí)，每秒鐘對(duì)信號(hào)采樣的點(diǎn)數(shù)，選擇速度越大，則信號(hào)精度越高，天線需要移動(dòng)越慢。,,,采樣時(shí)窗:該參數(shù)提供確定數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間長(zhǎng)度。時(shí)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(lái)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(shí)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(hào)之間延遲量的大小。 ——固定延時(shí)調(diào)節(jié)。,,前放：前置放大器，信號(hào)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(diǎn),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(cè)目標(biāo)的深度，天線頻率越低則探測(cè)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(cè)分辨率越高，但是探測(cè)深度相對(duì)較淺。因此，天線中心頻率的選擇首先需要滿足探測(cè)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。,,為空間分辨率(單位為m)， 是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。,① 當(dāng)探測(cè)深度d >15m 時(shí)，一般選用中心頻率f