雷達硬件及采樣參數(shù)選取

1、第四章 探地雷達硬件 介紹探地雷達硬件系統(tǒng)，即采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。重點介紹探地雷達的控制單元、接收機、發(fā)射機的基本原理。本文介紹的探地雷達采集系統(tǒng)以中國礦業(yè)大學（北京）自主研制的GR系列探地雷達為例。目前探地雷達的采集系統(tǒng)，其工作原理基本相同。 雷達采集系統(tǒng)的設計總體分為以下兩種：分離式設計和組合式設計。分離式設計主要有兩種形式：（1）將天線發(fā)射控制器（發(fā)射機）和接收控制器（接收機）獨立出來，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 探地雷達硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）將控制采

2、集的主機與控制單元分離，控制主機通過計算機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，但是缺點也是接線太多，同樣不利于野外復雜地區(qū)使用。控制單元天線陣+GPS主機+控制單元主機 GRIII 型探地雷達采集系統(tǒng)為藍本進行介紹，無論組合式設計還是分離式設計，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反射波信號，通過高頻放大器進行放大，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)能夠進行精確采樣?？刂茊卧到y(tǒng)：在微機系統(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)采樣保持后的雷達反射波信號進行程控增益放大和A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字化雷達反射波信號通過微機系統(tǒng)總線存放到內(nèi)存中，供微機顯示、存儲、分析和處理。微機系統(tǒng)：對探地雷達各子系統(tǒng)的工作流程進行管理、存儲、顯示。接收由控制單元系統(tǒng)采集得到的雷達數(shù)字信號，并對這些信號進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)射脈沖的延遲時間。

4、步進延遲參數(shù)，步進延遲控制接收脈沖的精確步進延遲。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)送負脈沖觸發(fā)信號 第二根50歐姆同軸電纜接收機采樣保持數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡上，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換4.2 探地雷達數(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

5、)。離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 探地雷達數(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(

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當時， 0t為抽樣間隔 sT4.2 探地雷達數(shù)據(jù)采集基本原理3. 等效采樣 4.2 探地雷達數(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）；

7、無法對應直接采樣并保持；2、發(fā)射脈沖具有重復性（周期為Ta）。 可以通過多次采樣，重塑原發(fā)射脈沖。3、步進延時（Ts）在極小的時間范圍內(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，進行第二次采樣；3、經(jīng)過kTa+2Ts時間后，進行第三次采樣；N、經(jīng)過kTa+(N-1)Ts時間后，進行第N次采樣。Ts因每次采樣都會增加一個單位，稱其為步進延時。4. 步進延時與固定延時的作用 步進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

8、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”，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延時器。 需要滿足nTs Tlength ，即步進延時控制范圍需大于雷達波反射信號時長Tlength，以保證能接收到完整的雷達波反射信號。n為探地雷達的采樣點數(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，在采集時可將其設置為256點、512點、1024點或2048點等。 固定延時

9、主要功能與步進延時類似。 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)射高頻高壓雷達脈沖信號。 該延時也是可編程的，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，它表明了采集雷達反射波信號時第一個采樣點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，Tt

10、ran的時滯即等于對發(fā)射天線發(fā)出啟動信號，到發(fā)出雷達波的脈沖時間間隔；對于接收過程雷達系統(tǒng)發(fā)出啟動信號到接收天線系統(tǒng)發(fā)出雷達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)射出雷達脈沖波的時間間隔。 Trcv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Ttran Trcv + nTs Tlength 即 Ttran Trcv + Tallow即 “發(fā)射電路時滯”大

11、于“第一個采樣點允許的最遲開始采樣時刻”時，說明當整個一道數(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Ttran 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反射波的頭部信號，為空采集。情況2情況3當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，雷達反射波的頭部信號也不能被采集到。情況4當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)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Trcv Ttran 15m 時，一般選用中心頻率f 100MHz的雷達天線； 當探測深度5m d 15m時，一般選用中心頻率100MHz f 200MHz的雷達天線； 當探測深度2m d 5m時，一般選用中心頻率200MHz f 400MHz的雷達天線； 當探測深度d 400MHz的雷達天線。 根據(jù)公式并結(jié)合以往的探測經(jīng)驗，可大致確定天線中心頻率f (MHz)與探