探地雷达体制综述

2003年第17卷第1期测试技术学报V o l.17　N o.1　2003 (总第43期)JOURNAL OF TEST AND M EASURE M ENT TECHNOLOG Y(Sum N o.43)
文章编号:167127449(2003)0120025204
探地雷达体制综述
Ξ李海华
(中国科学院长春光学精密机械及物理研究所,吉林长春130021)
摘　要:　从探地雷达体制的角度介绍了探地雷达的发展及现状,深入分析了现有的五种主要雷达体制各自
的特点,并加以比较.认为应开展多体制探地雷达系列化研究,以适应不同的探测目标.并指出冲击脉冲体
制的探地雷达系统是目前该研究领域的一个重点.
关键词:　探地雷达;调制方式;冲击脉冲体制
中图分类号:　P631.32 文献标识码:A
1　探地雷达体制发展及现状
1904年德国人H u ls m eyer首次采用电磁信号探测地下的金属目标.1910年,德国人L ei m bach和L o¨w y在他们的专利中描述了利用电磁信号对地下目标进行定位的应用.1926年Hülsenbeck在其研究工作中采用了脉冲技术来确定地下埋设物的结构特征,他注意到,不仅仅是电导率,任何介电特性的变化都将造成电磁波的反射.他的发现首次确定了地下电磁波回波信号与地下介质及目标间的本质联系,从而为探地雷达在技术和方法上提供了优于其它地球物理探测方法的理论依据.Stern在1929年进行了探地雷达的首次应用采用无线电干涉法探测冰川的厚度.1960年J.C.Cook提出了冲击脉冲雷达方案:向地下发射无载波的窄脉冲,由于脉冲宽度仅为几纳秒,所以脉冲具有很宽的频带,这样,既可以获得探测分辨率,又可以达到减小地下有耗介质吸收的效果,从而保证了对穿透深度的要求.此后, B arringer和M eyer的实验进一步验证了Cook方案的可行性和正确性.但由于地下介质比空气具有强得多的衰减特性,而且波在地下介质中的传播比在空气中要复杂得多,所以当时,它仅限于研究介质相对均匀、对电磁波吸收很弱的地质环境,如极地冰层、淡水湖泊、沙漠及岩盐等介质[1].
20世纪70年代,出现了各种形式的试探性探地雷达并开展了大量的应用研究,通过对各种体制探地雷达在性能上的差异进行比较,人们逐渐认识到探地雷达能够在很多方面发挥有效的作用.如:石灰岩地区采石场的探测;冰川和冰山的厚度等探测;工程地质探测.煤矿井探测,泥炭调查;放射性废弃物处理调查.水文地质调查;地基和道路下空洞及裂缝等建筑质量探测;地下埋设物,古墓遗迹等探查;隧道、堤岸、水坝等探测.探地雷达具有无损、快速、连续、高精度、实时成像探测、经济方便等优点,有着广泛的应用前景.
2　探地雷达及冲击脉冲探地雷达工作原理
探地雷达(Ground Penetrating R adar简称GPR)是一种对地下或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术,它利用高频电磁波(106～109H z),以宽频带短脉冲形式由地面发射天线定向送入地下,遇到与周围介质电阻抗有差异的地层或目标体时,部分能量被反射回地面,被接收天线接收,根据回波信号来探测地下情况.其测试原理如图1所示.脉冲波的行程时间为
t=(4Z2+X2 V)1 2,(1)式中:Z为反射体的深度;X为发射天线和接收天线之间的距离;V为波速.
Ξ收稿日期:2002207206
　作者简介:李海华(1975-),女,博士生,主要从事探地雷达及快速信息处理技术的研究.
当地下介质的波速V 已知时,则可测到精确的t 值(ns ),由式(1)求出反射体的深度X (m ),X 在
剖面探测中是固定的,V (m n s )可以用宽角方式直接测量,也可根据V =C Ε1 2近似算出.其中C 为光速
(C =0.3m n s ),Ε为地下介质的相对介电常数值
.在探地雷达的发展史上,曾出现过多种体制的探地雷达种类.其中一种幅度调制雷达称做冲击脉冲探地雷达[2],是一种非常重要的探地雷达的体制,国外形成商品的探地雷达几乎都采用这种体制.这种雷达主要用于浅层(几米至几十米)高分辨率探测,即可用于地下埋设物的探测,又可用于土木工程结构中的空洞或其它表层下工程缺点的探测.其工作原理如下:发射机经宽带天线向地下周期性发射无载频单极或双极冲击脉冲,接收机通过接收天线将地下目标回波信号送给取样变换电路,经过时域取样变换,回波信号在保持原有形状的基础上在时间轴上展宽了上千倍变为低频信号.对此信号进行适当处理后送入图像显示系统形成探测区域的地下剖面图.冲击脉冲探地雷达的结构框图如图2所示
.
图1　探地雷达反射探测原理
F ig .1　R eflecting exp lo rati on p rinci p le of
GPR 图2　冲击脉冲体制雷达结构框图F ig .2　B lock diagram of GPR w ith the pulse system
发射机提供的发射信号如图3所示.发射脉冲的宽度Σ通常为几个纳秒,这意味着其频谱宽度很宽,雷达具有很高的分辨率;脉冲的峰值电压一般大于100V ,可保证足够的信噪比以及较深的穿透深度.
图3　发射脉冲波形F ig .3　T rans m itted pulse w ave 雷达的工作是由系统时基对发射机的周期性的触发开始的,发
射触发的周期通常为几十千赫至几百千赫之间.发射机中的脉冲
产生电路在接到触发信号后立即产生高压冲击脉冲由天线向地下
发射.对于点目标的散射,接收脉冲应与发射脉冲在形状上一模一
样.由于地下目标的不同部分与雷达的距离不同,其回波脉冲包含
有不同的延时.接收脉冲最先到达的部分来自被天线照到的目标的
最近的部位;最后到达的部分来自被天线照到的最远的部位或来自
目标多次散射的回波信号.脉冲周期应足够长,以保证回波信号在
时间上不会重叠.由于发射脉冲的宽度极窄,所以接收信号的持续时间也很短,通常为几百纳秒,这样短的信号很难进行直接的处理.因此,通常采用取样技术,运用时域取样变换技术将接收信号展宽,使它变成低频的慢信号,并且在变换时保持信号的形状不变.3　五种主要探地雷达体制的比较
探地雷达的体制是从常规的空中雷达技术中发展而来的.但是,与空中雷达存在很大的差别.首先在遥感雷达出现之前来自地表和地下的回波一直被当作空中雷达的杂波进行处理,地表甚至地下目标更被视作雷达的“盲区”.而探地雷达正是要对处于“盲区”的目标进行探测.其次,空中雷达的探测目标基本处于空气中,电磁波的传播被视为自由空间的平面波.而对于探地雷达而言,目标所处的地下介质一般是非均匀有损耗介质,它造成电磁波传播的复杂化,并且衰减也很大.这两种差别决定了探地雷达与空中雷达在体制上有很大的不同.具体表现在天线形式、发射系统、接收系统、以及数据处理和图像判读上有很大的差别,所以说探地雷达是一个全新的雷达种类.
在开发探地雷达产品之前,首先应确定的是探地雷达的体制.不同体制的探地雷达对不同的地下目标有不同的探测能力,所以,应根据需要选择探地雷达的体制以开发适用于不同情况的雷达产品.探地雷达的体制主要是由它们的调制方式决定的.调制方式是根据穿透深度、分辨率、数据处理软件、电磁
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干扰程度、以及体积和成本等因素的特殊要求进行选择的.下面就各种要求的调制方式进行分析,并将它们分别与冲击脉冲探地雷达做比较.
1)调频连续波.调频连续波方法是另外一种用于浅层或表层(2m 以内)地下目标探测的方法[3].它要求稳定的频率合成信号源,宽的发射频带.其优点为分辨率高,发射频谱易于控制,以及具有很宽的动态范围.从穿透深度上看,这种方法是冲击脉冲雷达的很好补充.
发射信号为线性调频连续波根据预知的地下介质的频率衰减特性以及可能的地下目标的频率响应特征预先设定工作频带.接收到的回波信号与发射信号的一个样本进行混频得到的差频对应于回波信号相对发射信号的时间延迟,根据电磁波在地下介质中的传播速度,将此延迟转换成距离即可得到地下目标的实际位置.差频波形的持续时间近似等于扫频时间,傅氏变换后谱的形状与具有相同谱分布的零相位脉冲发射产生的时域回波波形是一致的.调频连续波系统的主要缺点是体积大、成本高,特别是由于使用合成频率源,需要特殊的信号处理来恢复用于显示和解译的时域波形,因此系统比较复杂.如果系统采用频带宽度不够,或功率较大,则容易产生电磁干扰.另外,该系统无法对探测距离以外不需要目标的干扰给予足够的抑制,给图像的判读和解译带来了很大的困难.与其优点相比,这些缺点限制了该体制雷达在地下探测上的推广和应用范围.因此目前大多数调频连续波雷达仅限时对几十公分以内表层的探测,如机场跑道和高速公路等表层中的结构异常或孔穴的探测.
2)脉冲展宽压缩技术.脉冲展宽压缩作为一项成熟的技术已广泛用于很多种常规的空中雷达中,这种雷达也叫做ch irp 雷达.它发射线性调频脉冲,调频带宽通常很宽以保证足够高的时间分辨率,同时也保证,发射脉冲长度具有很大的时带积,获得很大的总发射能量,从而达到提高信噪比的目的.接收端采用匹配滤波器技术实现脉冲压缩,使得在Λs 量级脉冲发射情况下仍可获得相当于n s 量级窄脉冲的分辨率.在峰值功率受限的情况下,该技术十分有效.在探地雷达的应用中,脉冲展宽压缩技术并不是针对峰值功率受限而采用的.它采用精心设计的一对具有宽带特性的对数周期天线或对数螺旋天线,ch irp 脉冲经过天线后,发射信号的频率随时间变化是双曲规律.回波信号经过接收天线后的输出波形为原发射波形的自卷积,形成的双曲ch irp 的长度为原来的两倍,这个波形由接收机中的匹配滤波器压缩后得到的分辨率将与所设计的发射带宽相符.通常采用的时带积在10～20之间.
对数螺旋型天线在这种体制的探地雷达中应用最为广泛.①它是扩散宽带天线,可满足系统带宽发射和接收.②可以产生圆极化发射,特别是对于地下的细长目标,如管道和电缆,在不知道方位角的情况下并不影响实地探测.这就是选择ch irp 脉冲的优点,即可将带宽特性和圆极化特性结合起来,这是冲击脉冲体制所不能实现的.
3)连续波.点频连续波发射技术在探地雷达发展的初期及其以后的许多年一直被采用,但由于地下低阻介质以及发射机与接收机等因素的影响,很难识别出来自地下目标的回波.所以后来大多数的探地雷达都没有采用这项技术.直到20世纪70年代,在这项技术的基础上发展出了地下全息成像技术[4].发射信号可以是点频,也可以是一些特定间隔的频率,接收端采用孔径天线在地表接收来自地下区域的后向散射信号并对信号的幅度和相位进行测量.波前外插技术的应用可实现对地下目标的数学重建,分辨率由测量孔径的大小决定.
发射信号的窄带特性使天线的设计较之宽带系统相对容易,而且不需要采用高速数据捕获.这种系统的缺点是它需要对两维孔径的精密扫描,工作频率也须根据地下介质的频率衰减特性仔细选择,如果频率过高.则要求减小孔径尺寸,而小孔径尺寸将降低分辨率.这些苛刻的要求限制了该技术的应用.
4)极化调制.象管道和电缆等这样的地下细长目标产生的后向散射场以线极化为主,极化方向平行或垂直于目标的长轴,而与入射场的极化状态无关.如果接收天线与发射天线为正交,则接收信号将随天线对与目标长轴的夹角变化.如果天线对为相同的线极化方向,在理论上讲,接收信号为零.因此,相对而言,采用圆极化特性的天线更有优越性.随着极化矢量的自动旋转.将不可避免那些由线极化造成的不灵敏方向给探测带来的困难,接收信号的包络与细长目标的方向无关.
5)幅度调制.探地雷达系统采用的幅度调制方式通常有两种.一种是发射经载波调制的窄脉冲,载波频率通常为几十兆赫,这样的雷达被称为脉冲调制雷达,主要用于冰、淡水或地质层的探测.在探测
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过程中,所关心的目标通常为冰水分界面或水与岩石层上淤泥的分界面,由于这些分界面间的距离往往分得很开,因此对分辨率的要求不是很高,发射带宽相对较窄,接收机采用常规解调技术提取回波脉冲的包络[5].另一种幅度调制雷达即是前面介绍的冲击脉冲雷达[2].
综上所述,尽管还存在着其它形式的调制方式但以上五种调制方式形成了探地雷达的主要体制.它们都具有各自的特点,有些体制之间还存在着应用上的互补性.相对而言,冲击脉冲体制由于在分辨率和穿透深度等方面的特点,使它在实际应用中更具有通用性.
4　结束语
随着探地雷达应用范围的不断扩大,对探地雷达技术也提出了新的挑战.它要求探地雷达系统具有更高的分辨率、更大的穿透深度,提供更丰富的地下信息.近年来,出现了一些天线及电磁波发射机方面的新技术,对各探地雷达体制的完善有很重要的意义.变频天线的出现使雷达系统变得更加轻巧和方便[6,7].它不但具有改变中心频率的能力,而且可发射较低频率的信号,它可以利用各种频率扫描并进行综合分析,不但可以获得更丰富的地下信息,而且还使薄层的识别成为可能.它避免了传统雷达系统常需配置多种工作频率的天线从而导致系统重量增加、操作复杂的弊端.多道雷达系统可以同时对多个天线或天线对进行操作[8].每道既可接收相同频率的天线,也可接收不同频率的天线.而其参数既可单独设置,也可以统一设置.多道雷达系统克服了单道雷达系统在面积性扫描中的缺陷,并可实现时间倾角扫描叠加技术,使地下目的体高质量三维成象的实现成为可能.此外,按特定的几何形态排列天线,有可能形成可控制或聚焦的复杂雷达信号.
总之,探地雷达随着电磁波散射理论的深入和电子技术的发展而迅速发展.多种产品的探地雷达也在许多方面发挥了作用.但是探地雷达的研究工作还远没有完成,特别是信号、图像处理和天线方面.由于地下介质和目标及其探测方面的复杂程度,应开展多体制探地雷达系列化研究,使不同的体制雷达应用到不同的探测目标,其中,冲击脉冲体制的探地雷达系统的研究是目前该研究领域的一个重点.
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Rev iew of Ground Penetrati ng Radar System
L I H ai2hua
(Changchun In stitu te of Op tics,F ine M echan ics and Physics,Ch inese A cadem y of Sciences,Changchun130021,Ch ina) Abstract:　T he developm en t and p resen t situati on s of ground p enetvating radar system is
in troduced.T he characters and trade2off of cu rren t five m ain radar system s are analysed.It
is i m p erative to develop the Ground Penetrating R adar(GPR)series w ith differen t system s to
adap t vari ou s detected ob jects,esp ecially the ground p enetrating radar w ith p u lse system.
Key words:ground p enetrating radar;m odu lati on m ode;p u lse system。