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，采用不同的天線與其配合使用。 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

2、集的主機(jī)與控制單元分離，控制主機(jī)通過計(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?？刂茊卧炀€陣+GPS主機(jī)+控制單元主機(jī) GRIII 型探地雷達(dá)采集系統(tǒng)為藍(lán)本進(jìn)行介紹，無論組合式設(shè)計(jì)還是分離式設(shè)計(jì)，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

3、發(fā)下，將放大信號后的通過采樣頭進(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?？刂茊卧到y(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(shí)的啟動觸發(fā)脈沖，同時(shí)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，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 固定延遲參數(shù)，固定延遲控制發(fā)射脈沖的延遲時(shí)間。

4、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。采樣啟動信號。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(shí)間軸上的連續(xù)變量，則稱 x(t)為連續(xù)時(shí)間信號，即模擬信號。 離散時(shí)間信號若 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。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)，可簡記為x(n

5、)。離散信號在時(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)字信號在時(shí)間和幅度上都取離散值的信號。2. 連續(xù)信號的離散化 在實(shí)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(shí)的，通過控制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(jì)算機(jī)上實(shí)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 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集基本原理連續(xù)時(shí)間信號x(t) (b) 沖激函數(shù)p(t) (c) 理想沖激抽樣函數(shù)x(

6、n) nsnTttp)(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： 0t當(dāng)時(shí)， 0t為抽樣間隔 sT4.2 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(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(diǎn)。通過使用等效采樣的方法，來實(shí)現(xiàn)這種高頻模擬信號的數(shù)字化。1、發(fā)射脈沖間隔時(shí)間太短（納秒級），采樣間隔大于發(fā)射脈沖（微秒級）；

7、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(shí)（Ts）在極小的時(shí)間范圍內(nèi)（皮秒級）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。等效采樣過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kTa+Ts時(shí)間后，進(jìn)行第二次采樣；3、經(jīng)過kTa+2Ts時(shí)間后，進(jìn)行第三次采樣；N、經(jīng)過kTa+(N-1)Ts時(shí)間后，進(jìn)行第N次采樣。Ts因每次采樣都會增加一個(gè)單位，稱其為步進(jìn)延時(shí)。4. 步進(jìn)延時(shí)與固定延時(shí)的作用 步進(jìn)延時(shí)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(shí)

8、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)過程 在等效采樣過程中，由于每次采樣保持動作的開始時(shí)刻與上一次采樣保持動作的開始時(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 Tlength ，即步進(jìn)延時(shí)控制范圍需大于雷達(dá)波反射信號時(shí)長Tlength，以保證能接收到完整的雷達(dá)波反射信號。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)

9、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(shí)也是可編程的，它主要用來消除電路自身和傳輸線路帶來的時(shí)滯影響（包括發(fā)射時(shí)滯和接收時(shí)滯），使得發(fā)射啟動信號與接收啟動信號之間的時(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σ粋€(gè)完整雷達(dá)反射波的多次采樣過程中，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)反射波信號時(shí)第一個(gè)采樣點(diǎn)允許的最遲的開始采樣時(shí)刻。 對于發(fā)射過程在沒有外加人為延時(shí)的情況下，Tt

10、ran的時(shí)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(shí)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(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)出啟動信號，到發(fā)射天線發(fā)射出雷達(dá)脈沖波的時(shí)間間隔。 Trcv為接收時(shí)滯：發(fā)出啟動信號，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

11、于“第一個(gè)采樣點(diǎn)允許的最遲開始采樣時(shí)刻”時(shí)，說明當(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沒有被采集。情況1當(dāng)Ttran Trcv + nTs 時(shí)，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(shí)，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(shí)，對于任何一次采樣，發(fā)射脈沖和反射波信號已經(jīng)結(jié)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 15m 時(shí)，一般選用中心頻率f 100MHz的雷達(dá)天線； 當(dāng)探測深度5m d 15m時(shí)，一般選用中心頻率100MHz f 200MHz的雷達(dá)天線； 當(dāng)探測深度2m d 5m時(shí)，一般選用中心頻率200MHz f 400MHz的雷達(dá)天線； 當(dāng)探測深度d 400MHz的雷達(dá)天線。 根據(jù)公式并結(jié)合以往的探測經(jīng)驗(yàn)，可大致確定天線中心頻率f (MHz)與探