雷達(dá)硬件及采樣參數(shù)選取分析課件

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。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)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（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(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)（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(jì)算機(jī)的并

GR－III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)GR－III型探地雷達(dá)采集系統(tǒng)為藍(lán)本進(jìn)行介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(shí)的啟動(dòng)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(chǔ)、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(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，并對這些信號進(jìn)行多種方法的信號處理。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(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。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)行模數(shù)轉(zhuǎn)換2.各系統(tǒng)之間的信號關(guān)系通過總線進(jìn)行信息的傳遞單根50歐姆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)?！x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。4.2探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集基本原理1.信號分類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2.連續(xù)信號的離散化在實(shí)際中工作中，信號連續(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(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(shí)，為抽樣間隔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)(c3.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。3.等效采樣4.2探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集基本原理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）；

——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、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?！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)。1、第一次采樣時(shí)間為周期原點(diǎn)（0時(shí)刻）；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(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)過程在等效采樣過程中，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。4.步進(jìn)延時(shí)與固定延時(shí)的作用步進(jìn)延時(shí)用于

——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)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。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(dòng)信號與接收啟動(dòng)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。固定延時(shí)主要功能與步進(jìn)延時(shí)類似。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。

根據(jù)步進(jìn)延時(shí)中的要求：對于發(fā)射過程——在沒有外加人為延時(shí)的情況下，Ttran的時(shí)滯即等于對發(fā)射天線發(fā)出啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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。對于發(fā)射過程——在沒有外加人為延時(shí)的情況下，Ttran的時(shí)滯當(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–Tlength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當(dāng)Ttran>Trcv+nTs時(shí)，則對于任何一次采情況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(huì)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3當(dāng)Ttran<Trcv時(shí)，則說明對于前面若干次采情況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。情況4當(dāng)Ttran<Trcv-Tlength時(shí)，對正確采樣情況當(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。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。固定延時(shí)的最大值為Tcmax正確采樣情況當(dāng)Trcv<Ttran<Trcv+T4.3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(dòng)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)：探地雷數(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)信號和必要的控制信號。（1）初始化過程：設(shè)置包括固定延時(shí)控制、采樣樣點(diǎn)數(shù)、疊加次數(shù)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(diǎn)計(jì)數(shù)減1；如果不為0，則轉(zhuǎn)至過程（2），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)采集過程結(jié)束。采樣流程圖數(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)反射波信號的數(shù)字化探地雷達(dá)工作時(shí)序探地雷達(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)4.4接收及發(fā)射子系統(tǒng)探地雷達(dá)實(shí)際采樣信探地雷達(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)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。探地雷達(dá)天線目前探地雷達(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探地雷達(dá)天線目前探地雷達(dá)采用天線主要有微帶蝶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)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:\data4.5探地雷達(dá)采集1.探地雷達(dá)采集參數(shù)設(shè)定GR探地雷觸發(fā)方式，有“時(shí)間觸發(fā)”“測量輪觸發(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?！皶r(shí)間觸發(fā)”時(shí)，系統(tǒng)在采集時(shí)連續(xù)觸發(fā)。此時(shí)可以通過回車鍵或打標(biāo)控制器打標(biāo)來定位。——“單點(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?！皽y量輪觸發(fā)”時(shí)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)，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(shí)進(jìn)行采集，主要在路面高速采集時(shí)使用。“測量輪脈沖距離”控制采樣道間距，可直接輸入數(shù)值（脈沖數(shù)）。‘’觸發(fā)方式，有“時(shí)間觸發(fā)”“測量輪觸發(fā)”“單點(diǎn)觸發(fā)”等兩種觸發(fā)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)：對模擬信號進(jìn)行A/D采樣時(shí)，每秒鐘對信號采樣的點(diǎn)數(shù)，選擇速度越大，則信號精度越高，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(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣（即采集速度越慢）。采樣點(diǎn)數(shù)有“512”“1024”“2048”等三個(gè)選項(xiàng)供用延遲調(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?！潭ㄑ訒r(shí)調(diào)節(jié)。前放：前置放大器，信號放大倍數(shù)。延遲調(diào)節(jié)：前放：2.GR系列雷達(dá)采集界面GR系列主機(jī)采集界面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)置界面采集參數(shù)設(shè)置界面打標(biāo)功能標(biāo)記點(diǎn)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)。3.雷達(dá)采集參數(shù)確定(1)天線中心頻率中心頻率①當(dāng)探測深度d>15m時(shí)，一般選用中心頻率f<100MHz的雷達(dá)天線；②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；③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；④當(dāng)探測深度d<2m時(shí)，一般選用中心頻率f>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)與探測深度d(單位為m)之間的關(guān)系如下：①當(dāng)探測深度d>15m時(shí)，一般選用中心頻率f<10(2)測量時(shí)窗

時(shí)間窗(單位為ns)的選擇主要取決于最大探測深度dmax，與介質(zhì)結(jié)構(gòu)層中的電磁波速度v，可由下式估算。式中，C為雷達(dá)波在真空中的傳播速度，為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。(2)測量時(shí)窗時(shí)間窗(單位為ns)的選擇SIR3000數(shù)據(jù)顯示界面SIR30004個(gè)主菜單4.其他探地雷達(dá)采集界面SIR3000數(shù)據(jù)顯示界面SIR30004個(gè)主菜單4雷達(dá)硬件及采樣參數(shù)選取分析課件第四章探地雷達(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。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)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（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(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)（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(jì)算機(jī)的并

GR－III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)GR－III型探地雷達(dá)采集系統(tǒng)為藍(lán)本進(jìn)行介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(dòng)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(chǔ)、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(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，并對這些信號進(jìn)行多種方法的信號處理。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(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。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)行模數(shù)轉(zhuǎn)換2.各系統(tǒng)之間的信號關(guān)系通過總線進(jìn)行信息的傳遞單根50歐姆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)。——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。4.2探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集基本原理1.信號分類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2.連續(xù)信號的離散化在實(shí)際中工作中，信號連續(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(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(shí)，為抽樣間隔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)(c3.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)?！ㄟ^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。3.等效采樣4.2探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集基本原理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）；

——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、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(huì)增加一個(gè)單位，稱其為步進(jìn)延時(shí)。1、第一次采樣時(shí)間為周期原點(diǎn)（0時(shí)刻）；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(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)過程在等效采樣過程中，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。4.步進(jìn)延時(shí)與固定延時(shí)的作用步進(jìn)延時(shí)用于

——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?！猲為探地雷達(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。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(dòng)信號與接收啟動(dòng)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。固定延時(shí)主要功能與步進(jìn)延時(shí)類似。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。

根據(jù)步進(jìn)延時(shí)中的要求：對于發(fā)射過程——在沒有外加人為延時(shí)的情況下，Ttran的時(shí)滯即等于對發(fā)射天線發(fā)出啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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。對于發(fā)射過程——在沒有外加人為延時(shí)的情況下，Ttran的時(shí)滯當(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–Tlength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當(dāng)Ttran>Trcv+nTs時(shí)，則對于任何一次采情況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(huì)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3當(dāng)Ttran<Trcv時(shí)，則說明對于前面若干次采情況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。情況4當(dāng)Ttran<Trcv-Tlength時(shí)，對正確采樣情況當(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。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。固定延時(shí)的最大值為Tcmax正確采樣情況當(dāng)Trcv<Ttran<Trcv+T4.3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(dòng)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)：探地雷數(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)信號和必要的控制信號。（1）初始化過程：設(shè)置包括固定延時(shí)控制、采樣樣點(diǎn)數(shù)、疊加次數(shù)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(diǎn)計(jì)數(shù)減1；如果不為0，則轉(zhuǎn)至過程（2），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)采集過程結(jié)束。采樣流程圖數(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)反射波信號的數(shù)字化探地雷達(dá)工作時(shí)序探地雷達(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)4.4接收及發(fā)射子系統(tǒng)探地雷達(dá)實(shí)際采樣信探地雷達(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)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。探地雷達(dá)天線目前探地雷達(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探地雷達(dá)天線目前探地雷達(dá)采用天線主要有微帶蝶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)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:\data4.5探地雷達(dá)采集1.探地雷達(dá)采集參數(shù)設(shè)定GR探地雷觸發(fā)方式，有“時(shí)間觸發(fā)”“測量輪觸發(fā)”“單點(diǎn)觸發(fā)”等兩種觸發(fā)采集的方式，可