1、第四章 探地雷达硬件 介绍探地雷达硬件系统，即采集系统的设计与实现。重点介绍探地雷达的控制单元、接收机、发射机的基本原理。本文介绍的探地雷达采集系统以中国矿业大学（北京）自主研制的GR系列探地雷达为例。目前探地雷达的采集系统，其工作原理基本相同。 雷达采集系统的设计总体分为以下两种：分离式设计和组合式设计。分离式设计主要有两种形式：（1）将天线发射控制器（发射机）和接收控制器（接收机）独立出来，采用不同的天线与其配合使用。 这种结构成本低，但是由于接线较多，野外使用不方便。这种分离式设计常常在振子非屏蔽天线上使用。50MHz 非屏蔽天线发射天线接收天线4.1 探地雷达硬件系统结构（2）将控制采
2、集的主机与控制单元分离，控制主机通过计算机的并口或串口与控制单元连接。 这种分离优点是可以随时更换主机，但是缺点也是接线太多，同样不利于野外复杂地区使用。控制单元天线阵+GPS主机+控制单元主机 GRIII 型探地雷达采集系统为蓝本进行介绍，无论组合式设计还是分离式设计，其控制信号流程完全一致：发射子系统接收子系统控制单元系统微机系统1. 各系统主要功能发射天线系统：控制单元系统的触发下，利用雪崩开关方式进行快速加压，产生高压窄脉冲电信号，并以此信号作为雷达发射控制脉冲，通过发射天线向地下发射电磁波。接收天线系统：用接收天线接收高频雷达反射波信号，通过高频放大器进行放大，然后在控制单元系统的触
3、发下，将放大信号后的通过采样头进行采样保持，从而将高频信号变成低频信号由控制单元系统能够进行精确采样。控制单元系统：在微机系统的控制下，为发射天线系统和接收天线系统提供经过精确定时的启动触发脉冲，同时对来自接收天线系统采样保持后的雷达反射波信号进行程控增益放大和A/D转换，并将得到的数字化雷达反射波信号通过微机系统总线存放到内存中，供微机显示、存储、分析和处理。微机系统：对探地雷达各子系统的工作流程进行管理、存储、显示。接收由控制单元系统采集得到的雷达数字信号，并对这些信号进行多种方法的信号处理。2. 各系统之间的信号关系通过总线进行信息的传递 固定延迟参数，固定延迟控制发射脉冲的延迟时间。
4、步进延迟参数，步进延迟控制接收脉冲的精确步进延迟。采样启动信号。传送采样数据。单根50欧姆同轴电缆控制单元向发射天线系统发送负脉冲触发信号 第一根50欧姆同轴电缆控制单元向发射天线系统发送负脉冲触发信号 第二根50欧姆同轴电缆接收机采样保持数据传输到数据采集卡上，进行模数转换4.2 探地雷达数据采集基本原理1. 信号分类 模拟信号若 t 是定义在时间轴上的连续变量，则称 x(t)为连续时间信号，即模拟信号。 离散时间信号若 t 是仅在时间轴上的离散点取值，则称 x(t) 为离散时间信号。将 x(t) 改记为x(nTs), Ts为两点间的间隔时间，又称采样周期。 Ts归一化为1时，可简记为x(n
5、)。离散信号在时间上是离散的，但是其幅度在某一范围内可以是连续的。 数字信号在时间和幅度上都取离散值的信号。2. 连续信号的离散化 在实际中工作中，信号的采样（又称为抽样）是通过A/D转换电路来实的，通过控制A/D转换器在不同的时刻进行采样和量化，可以将连续信号x(t)变为数字信号x(nTs)。 将连续信号变成梳子信号是获取原始数据的重要手段之一，也是在计算机上实现数字信号处理的必要步骤。将x(t)变成离散信号x(nTs)维持x(t)信号的电平不变将采样信号量化为数字信号X(n)关键步骤4.2 探地雷达数据采集基本原理连续时间信号x(t) (b) 冲激函数p(t) (c) 理想冲激抽样函数x(
6、n) nsnTttp)(采样步骤是通过冲激函数来完成的， 理想冲击函数的形式： 0t当时， 0t为抽样间隔 sT4.2 探地雷达数据采集基本原理3. 等效采样 4.2 探地雷达数据采集基本原理 在A/D转换过程中，目前使用的A/D转换器采样速度都不快，16bit的A/D其采样率在200KHz左右，则一个采样间隔大约为5微秒，而发射脉冲的时间是非常短的，一个发射脉冲仅有几到几百纳秒。 因此，如何用时间间隔长得多的采样信号来采集较短的发射信号脉冲，是探地雷达采集技术的难点。通过使用等效采样的方法，来实现这种高频模拟信号的数字化。1、发射脉冲间隔时间太短（纳秒级），采样间隔大于发射脉冲（微秒级）；
7、无法对应直接采样并保持；2、发射脉冲具有重复性（周期为Ta）。 可以通过多次采样，重塑原发射脉冲。3、步进延时（Ts）在极小的时间范围内（皮秒级）可控 可以实现每次采集不同时间位置的发射脉冲信号。等效采样过程示意图等效采样适用的几个条件：采样间隔发射脉冲周期1、第一次采样时间为周期原点（0时刻）；2、经过kTa+Ts时间后，进行第二次采样；3、经过kTa+2Ts时间后，进行第三次采样；N、经过kTa+(N-1)Ts时间后，进行第N次采样。Ts因每次采样都会增加一个单位，称其为步进延时。4. 步进延时与固定延时的作用 步进延时用于启动接收天线和A/D转换器工作，它能够精确控制A/D转换器的采样时
8、刻，每采一个样点其数值改变一次。 等效采样实现过程 在等效采样过程中，由于每次采样保持动作的开始时刻与上一次采样保持动作的开始时刻相比，仅增加一个Ts, 该Ts即等效于雷达反射波信号相邻两个样点的采样间隔，因此像是每一次的采样时刻都在“步进”，所以我们将用于控制启动接收天线采样保持的定时器称为步进延时器。 需要满足nTs Tlength ，即步进延时控制范围需大于雷达波反射信号时长Tlength，以保证能接收到完整的雷达波反射信号。n为探地雷达的采样点数（采样率） 通常在Ts精度极短且可控的条件下，采样点数n可以很大，在采集时可将其设置为256点、512点、1024点或2048点等。 固定延时
9、主要功能与步进延时类似。 不同的是，其输出脉冲用于启动发射天线系统，控制发射高频高压雷达脉冲信号。 该延时也是可编程的，它主要用来消除电路自身和传输线路带来的时滞影响（包括发射时滞和接收时滞），使得发射启动信号与接收启动信号之间的时间差控制在有效范围内。 之所以称为固定延时，是因为在对一个完整雷达反射波的多次采样过程中，其延时始终是一个固定值。 根据步进延时中的要求： 由于需要nTs Tlength以保证接收信号采样的完整性，则nTs Tlength= Tallow 为采集时间裕量，它表明了采集雷达反射波信号时第一个采样点允许的最迟的开始采样时刻。 对于发射过程在没有外加人为延时的情况下，Tt
10、ran的时滞即等于对发射天线发出启动信号，到发出雷达波的脉冲时间间隔；对于接收过程雷达系统发出启动信号到接收天线系统发出雷达脉冲波的采样保持信号时的时间间隔是“接收时滞”+“第k次步进延时的时间” ，即Trcv + kTs 发射电路时滞Trcv + kTs Ttran为发射时滞：发出启动信号，到发射天线发射出雷达脉冲波的时间间隔。 Trcv为接收时滞：发出启动信号，到接收天线开始发射采样脉冲的时间，包括接收电路本身的时滞，和反射波在介质中的旅行时间Ttravel随深度变化而增大。当Ttran Trcv + nTs Tlength 即 Ttran Trcv + Tallow即 “发射电路时滞”大
11、于“第一个采样点允许的最迟开始采样时刻”时，说明当整个一道数据的n次采样全部完成时，还有一部分反射波的尾部信号没有被采集。情况1当Ttran Trcv + nTs 时，则对于任何一次采样，接收电路总是先于发射电路工作，即每一次采样过程都提前开始，最后第n次采样也不能采集到雷达反射波的头部信号，为空采集。情况2情况3当Ttran Trcv 时，则说明对于前面若干次采样发射电路会先于接收电路工作，因此，雷达反射波的头部信号也不能被采集到。情况4当Ttran Trcv - Tlength 时，对于任何一次采样，发射脉冲和反射波信号已经结束，接收电路还没有开始工作，同样为空采集。正确采样情况当Trcv
12、 Ttran 15m 时，一般选用中心频率f 100MHz的雷达天线； 当探测深度5m d 15m时，一般选用中心频率100MHz f 200MHz的雷达天线； 当探测深度2m d 5m时，一般选用中心频率200MHz f 400MHz的雷达天线； 当探测深度d 400MHz的雷达天线。 根据公式并结合以往的探测经验，可大致确定天线中心频率f (MHz)与探测深度d (单位为m)之间的关系如下：rxf150(2) 测量时窗 时间窗(单位为ns)的选择主要取决于最大探测深度dmax，与介质结构层中的电磁波速度v，可由下式估算。CdvdWrmaxmax23 . 123 . 1式中，C为雷达波在真空中的传播速度， 为介质的相对介电常数。 rSIR 3000 数据显示界面SIR 3000 4个主菜单4. 其他探地雷达采集界面
