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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、（2）将控制采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
3、大器进行放大，然后在控制单元系统的触发下，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
4、延迟参数，固定延迟控制发射脉冲的延迟时间。 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
5、的间隔时间，又称采样周期。 Ts归一化为1时，可简记为x(n)。 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,
6、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(n),采样步骤是通过冲激函数来完成的，,理想冲击函数的形式：,当,时，,为抽样间隔,4.2 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
7、时间太短（纳秒级），采样间隔大于发射脉冲（微秒级）； 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,
8、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
9、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
10、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，Ttran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 +
11、 nTs Tlength 即 Ttran Trcv + Tallow 即 “发射电路时滞”大于“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
12、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 Ttran Trcv + Tallow = Trcv + nTs - Tlength时，才可以保证采集到整个反射波信号。 由于： 1、Trcv中有步进延时的初始延迟 Tc（较大），2、Trcv中有反射波旅行时间Ttravel，随深度增大而变大。 必须在发射电路时滞Ttran的基础上增加固定延时，以启动发射脉冲。 固定延时的最大值为 Tcmax,4.3 探地雷达控制单元系统,探地雷达控制单元任务： 对来自接收天线系统的高频雷达反射波信号进行数字化； 为系统各部件分配地址端口、提供启动信
13、号和必要的控制信号。,探地雷达控制单元系统结构框图,数据采集与控制系统的主要功能是实现高频雷达反射波信号的数字化和为系统各部件分配地址端口、提供启动信号和必要的控制信号。,（1）初始化过程：设置包括固定延时控制、采样样点数、叠加次数等在内的静态参数。 （2）设定步进延时控制字：步进延时控制字本质上用于控制等效采样间隔，因此每个样点变化一次。步进延时控制字需要送往D/A转换器，并通过D/A转换器间接实现延时控制。由于D/A转换器需要一定的稳定时间，因此设置步进延时控制字之后，需要等待D/A输出稳定。 （3）启动A/D转换并读取转换结果：发出A/D转换启动信号后，读取A/D转换结果。 （4）判断数
14、据采集过程转换结束否：样点计数减1；如果不为0，则转至过程（2），进行下一个样点的数据采集；否则，本道数据采集过程结束。,采样流程图,探地雷达工作时序,4.4 接收及发射子系统,探地雷达实际采样信号很弱，如何将弱信号采集保持，并将保持数据供给采集卡进行模数转换，这是接收机必须解决的问题。 接收机的功能：是通过采样头将高频信号变成低频信号，通过二次采样对信号进行保持。,接收控制器,探地雷达接收机,探地雷达发射机,发射机主要功能是产生上升时间极短的电磁脉冲。,发射控制器,探地雷达天线,目前探地雷达采用天线主要有微带蝶形天线和振子天线两种，因为这两种天线具有较宽的频带。 屏蔽天线常采用微带蝶形天线，
15、主要应用于2000MHz到100MHz天线之间。 非屏蔽天线常用拉杆振子天线为主，主要应用于50MHz到20MHz天线之间。,微带蝶形天线辐射面,4.5 探地雷达采集,1. 探地雷达采集参数设定,GR探地雷达采集界面,文件序号：文件序号为文本输入编辑框，可直接输入参数（在使用外设键盘情况下）或通过键盘上方向键进行更改。,文件路径：文件路径默认C:data,触发方式，有“时间触发”“测量轮触发”“单点触发”等两种触发采集的方式，可根据实际需要进行选择。 “时间触发”时，系统在采集时连续触发。此时可以通过回车键或打标控制器打标来定位。 “单点触发”时，系统在采集时单点触发，由回车键或打标控制器控制
16、触发信号。 “测量轮触发”时必须接测量轮装置，由测量轮控制采集进程。“全”表示测量轮不分正反转，只要测量轮旋转采集就可进行；“正转”表示仅测量轮在前进时进行采集，主要在路面高速采集时使用。“测量轮脉冲距离”控制采样道间距，可直接输入数值（脉冲数）。,采样点数有 “512”“1024”“2048”等三个选项供用户选择。,采样点：对模拟信号进行A/D采样时，每秒钟对信号采样的点数，选择速度越大，则信号精度越高，天线需要移动越慢。,采样时窗: 该参数提供确定数据采样的时间长度。 时窗越大，则所采数据的深度越深，当然要根据天线的主频来设置。,叠加次数： 该参数提供确定数据采样的叠加次数，在叠加次数越大，压制随机干扰的效果越明显，但是也需要开销更多的时间进行数据的采样（即采集速度越慢）。,延迟调节： 该功能确定采样数据发射与接收信号之间延迟量的大小。 固定延时调节。,前放
