超寬頻探地雷達

超寬頻探地雷達，利用超寬頻探地雷達（UWBGPR）技術進行淺層有耗媒質中目標和介質構造的探測，是近年來國內外透視成像探測技術發展的一個新熱點，該方法通過向地下發射極窄的探測脈衝，產生覆蓋範圍極寬的頻譜（通常大於1GHz），經過等效採樣，接收包含豐富信息的回波，根據電磁波在地下媒質中的走時和波形變化，對地下媒質構造、地下目標進行探測、定位和識別，同時，利用超寬頻技術高精度的時空解析度，對地下目標和介質結構進行成像。

基本介紹

• 中文名：超寬頻探地雷達
• 外文名：GroundPenetratingRadar
• 作用：探測淺層有耗媒質中目標
• 簡稱：GPR

超寬頻探地雷達

探地雷達(GroundPenetratingRadar,簡稱GPR)方法是一種用於確定地下介質分布的廣譜(1MHz-1GHz)電磁技術。探地雷達利用一個天線發射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接收來自地下介質界面的反射波。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化。因此，根據接收到波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度與波形資料，可推斷介質的結構。
探地雷達工作頻率高，在地質介質中以位移電流為主。因此，高頻寬頻帶電磁波傳播，實質上很少頻散，速度基本上由介質的介電性質決定。因此，電磁波傳播理論與彈性波的傳播理論有許多類似的地方。兩者遵循電磁波要穿過各種介電常數不同，濕度，溫度等均不相同的複雜介質，總會不可避免地採集到各種干擾信號和一些對目標體識別無用的信號。此外，雷達波在傳播過程中也會衰減，波幅會有很大的減小。因此探地雷達數據處理的目標就是通過各種數字處理技術來抑制各種干擾信號，儘可能地突出有用信號，使雷達圖像更加明顯、準確地反映出被測目標體的實際情況，並便於提取反射波的各種有用參數。因為雷達波與地震波在運動學上有相似性，所以目前探地雷達回波處理的許多技術就是來源於較為成熟的地震回波處理技術。
超寬頻探地雷達由於頻譜中高頻含量豐富，可獲得較高的時空解析度，因此可對地下媒質構造、地下目標領域，是近年來國內外透視成像探測技術發展的一個新熱點。
探地雷達主要由發射機，接收機，發射天線，接收天線，信號處理及終端設備組成。各種型號的探地雷達基本組成是一樣的。探地雷達信號處理任務主要有:濾波技術、信號檢測、目標特徵提取與識別等幾個方面。探地雷達系統通過發射超寬頻信號,接收其反射回波,並利用回波特性,實現地下目標特徵提取與識別。

超寬頻雷達信號

超寬頻雷達信號的兩種可能表示方法:一是借用窄帶信號的複數模型法,優點是便於近似計算超寬頻信號的變換和易於誤差估計；第二種方法是採用實數模型法,充分反映信號的超寬頻特性。由於超寬頻信號的時間瓣數目的降低,復包絡已不能反映信號形狀。即使在精確結果的條件下,複數模型都不能令人滿意,最好還是用時間的實數振盪函式來模擬超寬頻信號。在超寬頻雷達中基於窄脈衝形式的無載波信號是目前超寬頻雷達中套用最多的一種信號。雖然由於其功率受限而限制了超寬頻雷達的作用距離,但它在超寬頻雷達特性,尤其是目標特性研究中特別適用。故現今的超寬頻雷達大多數都採用此類脈衝型信號。

超寬頻雷達特性脈衝測試

超寬頻雷達特性脈衝測試設備的基本部件(圖1.1)是：超寬頻探測脈衝形成設備、形成器與接收機的同步設備和計算機。在進行測量時，計量保證問題十分重要，其解決方法是對測量設備各個部件分別進行鑑定，並根據標準反射器對整個雷達測試設備進行標準和綜合檢驗。

超寬頻探測信號形成器

超寬頻探測信號形成器最有用的方法是在發射設備中產生超寬頻信號，而後通過發射天線把它輻射出去。這時，在發射機中形成信號的時間結構，而天線應以最小失真輻射這些信號。信號可在大功率發射機的輸出級或帶有後級放大的小功率級中形成。本文採用有源相控陣天線的方法，有源相控陣天線系由輻射器和與其集成在一起的寬頻功率放大器所組成。這時，輸出的功率信號是由單個模件輻射的大量信號之疊加。
目前，多半採用脈衝激勵的行波管，利用衝擊激勵可產生脈衝功率由數瓦到數千瓦的信號，這種形成器在模型的和外場的超寬頻雷達特性測量設備中是最可取的。
設計衝擊激勵形成器的主要困難是如何形成寬度小或電壓前沿陡峭和時間穩定性高的大功率寬頻視頻脈衝的問題。這些信號發生器的基本部件是電子開關，對於這些開關來說，對其功率和速度方面的要求是相互矛盾的。利用電晶體的雪崩效應，可以很方便地產生具有毫微秒級上升時間，峰值電壓達到幾百伏至幾千伏的脈衝，且重複頻率可以高達一兆赫茲。
雪崩電晶體振盪器，其優點是結構簡單，可用微帶實現，以保證與微帶天線連線；被形成的視頻脈衝的重複頻率範圍寬；時間穩定性高；脈衝功率足夠大。脈衝寬度取決於所有電晶體的類型和儲能電容器的電容，約為十分之幾至幾毫微秒，頻譜函式達到兆赫頻率。可將雪崩電晶體進行多級級聯，這時，脈衝的振幅在50歐電阻上可達到400伏。開關器件也可採用閘流管，觸發管放電器、水銀放電器、半導體放電器、電荷存儲二板管和隧道二板管等。形成大功率階躍信號的主要困難在於保證觸發的高穩定度、高重複頻率和要求反射信號的有效能量積累。目前用個別類型的放電器可在前沿寬度為數毫微秒的悄況下轉換兆瓦級的功率。

用點和存儲二極體振盪器作為脈衝整形器可在前沿寬度50-1000ps時得到幅度為100-120V的電壓降。隧道二極體振盪器形成的信號，其前沿寬度可達20ps，但電壓幅度不超過0.5V。

具有衝擊激勵輻射單元的有源相控陣天線

由於採用了天線陣，超寬頻脈衝雷達的能量潛力大大的提高，天線陣把各個輻射單元的部分信號在空間相干疊加的可能性與天線衝擊的超寬頻無線電探測脈衝形成器的優點結合了起來。
採用較大功率的衝擊激勵脈衝振盪器(到數千兆)，它可具有所要求的寬頻性及其他特性。衝擊激勵的天線陣系由有源輻射模件及其同步觸發的脈衝振盪器所構成。在脈衝狀態下，激勵脈衝的位置測定是按時間，而不是根據相位實現的。

為了對波束進行電控，在天線中附加引入觸發脈衝的時延控制設備，具有必要的時移，以改變波束位置。利用雪崩電晶體振盪器來控制延遲，這種振盪器的特點是簡單，並保證脈衝延遲與控制電壓的線性關係。衝擊激勵的有源相控陣天線的輻射模件包含三個基本的功能部件：衝擊激勵脈衝振盪器，匹配裝置和輻射單元。匹配裝置最好採用工作於寬頻帶的集中分布參數阻抗變壓器。在0.1-3GHz波段，輻射單元用寬頻帶陣子和具有同軸輸入的喇叭天線。在更高頻段內，最可取的是用喇叭作為陣列單元。在分米波和米波段，帶狀振子輻射單元最有意義，其優點是可採用印刷技術，以保證高精度和形狀的一致性，重量輕。成本低、結構強度高以及各單元相互配置的精確度高等等。這時，輻射單元特別是寬扁平振子和角橢形振子有很寬的頻帶。
由雪崩振盪器和帶狀振子A1和A2。組成的脈衝激勵的二單元試驗天線，其輻射信號的測量電路方塊圖。測試結果表明，在靠近法線方向，天線陣輻射的信號s3(t)接近於每個組件單獨輻射的信號s1(t)和s2(t)的代數和。總的說來，衝擊激勵的有源相控天線在0.2-2GHz的頻帶內可以形成功率為數百千瓦-數兆瓦的超寬頻信號。這種天線適合工作於收發共用狀態。

超寬頻雷達接收設備的構成原理

超寬頻雷達系統接收設備的任務在於接收、放大和記錄目標散射的電磁場強隨時間的變化e(t)。因此，具有超寬頻無線電脈衝信號的雷達接收設備，在結構上為一線性寬頻放大器，而對複雜信號則用相應的匹配濾波器。所需要的放大器通頻寬應對應於雷達超寬頻探測信號的頻譜寬度，在厘米波段達到幾千兆赫。
反射信號由兩個分集式天線A1和A2接收，這樣就可由高精度的距離來保證目標局部反射單元角位置的精確估計。在採樣示波器中設有兩個輸入通道，以便於測量電路的實現。
數字示波器的用途是將在選通變換器中展寬了的信號進行模數轉換，預先存儲數據和將其送入微機以及用於信號的直觀顯示。

接口部件可將數字示波器輸出信號的代碼和電平變換為微機信號的代碼和電平。數字示波器按計算機指令預先將數據記入存儲器，在存儲器中雷達目標的反射信號用代碼表示。而後按計算機指令將信號由存儲器送入微機的主存儲器。這樣一來，就將給定數目的反射信號依次地存儲起來。為了節省計算機的記憶體和提高計算效率，信號讀數的傳送、變換和取平均值的程式都用計算機指令碼來實現。