探地雷达最新发展概述

探地雷达最新发展状况概述

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。

关于天线方面，研制一种高方向性、宽频带、高发射率、体积轻便的天线成为一个重要的课题。另一方面，如何改进电磁波发射机的技术指标，达到加大辐射能量，增加探测深度的目的也是探地雷达技术面临的一项重要研究内容。

变频天线的出现使雷达系统变得更加轻巧和方便。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。每道既可接受相同频率的天线，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像的实现成为可能。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，文17给出了线性阵列两种天线间隔对应的辐射极性图的比较，说明天线距越宽，聚焦作用越强。

文20提出了一套新的探地雷达思想，即三维探地雷达系统。它以多道雷达系统为基础，以大量模型为核心，综合二维横断面信息，

最后形成地层三维图像。这是探地雷达发展的新方向。

就探地雷达数据处理方面而言，除已有的带通滤波、频率波数滤波外，反褶积和偏移技术是当前的两大热门课题。

反褶积是把雷达记录变成反射系数来消除大地干扰和天线瞬变及多次反射，达到提高数据垂直分辨能力的目的。但是，已有学者指出，由于地下介质的复杂性和噪声影响，反褶积处理的效果较之原始数据并没有多大的提高。这是因为，对褶积来讲，雷达电磁波的高衰减性和地下介质的频散现象，使得电磁脉冲子波在地下传播时要发生很大的变化，导致子波估计常出现很大的偏差。当然，对于简单的层状结构物，有可能得到适当的参数，从而获得较好的结果。

文8认为，反褶积处理只是有助于雷达剖面上半部分的解释，而偏移处理技术则是将雷达记录中的每个反射点移到其本来位置，消除雷达图像的畸变，从而获得能够反映地下介质形状真实图像的二维成像方法。偏移技术对消除直立体的绕散、散射产生的相干噪声具有很大的潜力，对地下介质比较均匀的雷达剖面有较好的结果。

利用小波变换的调焦功能和频域—时域双重局部性来压制噪声是雷达数据处理技术的一条新途径。研究表明，雷达信号小波算子法成像具有良好的地下界面准确定位功能，而且根据高频电磁波在有耗介质中的衰减特性，在精确校正电磁波振幅衰减和相位偏移的基础上，利用时变反褶积和小波去噪可以得到高分辨率的探地雷达图像。

超宽带探地雷达，利用超宽带探地雷达（UWBGPR）技术进行浅层有耗媒质中目标和介质构造的探测，是近年来国内外透

视成像探测技术发展的一个新热点，该方法通过向地下发射极窄的探测脉冲，产生覆盖范围极宽的频谱（通常大于1GHz），经过等效采样，接收包含丰富信息的回波，根据电磁波在地下媒质中的走时和波形变化，对地下媒质构造、地下目标进行探测、定位和识别，同时，利用超宽带技术高精度的时空分辨率，对地下目标和介质结构进行成像。超宽带探地雷达由于频谱中高频含量丰富，可获得较高的时空分辨率，因此可对地下媒质构造、地下目标领域，是近年来国内外透视成像探测技术发展的一个新热点。

超宽带雷达信号的两种可能表示方法:一是借用窄带信号的复数模型法,优点是便于近似计

算超宽带信号的变换和易于误差估计；第二种方法是采用实数模型法,充分反映信号的超宽带特性。由于超宽带信号的时间瓣数目的降低,复包络已不能反映信号形状。即使在精确结果的条件下,复数模型都不能令人满意,最好还是用时间的实数振荡函数来模拟超宽带信号。在超宽带雷达中基于窄脉冲形式的无载波信号是目前超宽带雷达中应用最多的一种信号。虽然由于其功率受限而限制了超宽带雷达的作用距离,但它在超宽带雷达特性,尤其是目标特

性研究中特别适用。故现今的超宽带雷达大多数都采用此类脉冲型信号。

超宽带雷达特性脉冲测试设备的基本部件(图1.1)是：超宽带探测脉冲形成设备、形成器与接收机的同步设备和计算机。在进行测量时，计量保证问题十分重要，其解决方法是对测量设备各个部件分别进行鉴定，并根据标准反射器对整个雷达测试设备进行标准和综合检验。

超宽带探地雷达

超宽带探测信号形成器最有用的方法是在发射设备中产生超宽带信号，而后通过发射天线把它辐射出去。这时，在发射机中形成信号的时间结构，而天线应以最小失真辐射这些信号。信号可在大功率发射机的输出级或带有后级放大的小功率级中形成。本文采用有源相控阵天线的方法，有源相控阵天线系由辐射器和与其集成在一起的宽带功率放大器所组成。这时，输出的功率信号是由单个模件辐射的大量信号之叠加。

目前，多半采用脉冲激励的行波管，利用冲击激励可产生脉冲功率由数瓦到数千瓦的信号，这种形成器在模型的和外场的超宽带雷达特性测量设备中是最可取的。

设计冲击激励形成器的主要困难是如何形成宽度小或电压前沿陡峭和时间稳定性高的大功率宽带视频脉冲的问题。这些信号发生器的基本部件是电子开关，对于这些开关来说，对其功率和速度方面的要求是相互矛盾的。利用晶体管的雪崩效应，可以很方便地产生具有毫微秒级上升时间，峰值电压达到几百伏至几千伏的脉冲，且重复频率可以高达一兆赫兹。

雪崩晶体管振荡器，其优点是结构简单，可用微带实现，以保证与微带天线连接；被形成的视频脉冲的重复频率范围宽；时间稳定性高；脉冲功率足够大。脉冲宽度取决于所有晶体管的类型和储能电容器的电容，约为十分之几至几毫微秒，频谱函数达到兆赫频率。可将雪崩晶体管进行多级级联，这时，脉冲的振幅在50欧电阻上可达到400伏。开关器件也可采用闸流管，触发管放电器、水银放电器、半导体放电器、电荷存储二板管和隧道二板管等。形成大功率阶跃信号的主要困难在于保证触发的高稳定度、高重复频率和要求反射信号的有效能量积累。目前用个别类型的放电器可在前沿宽度为数毫微秒的悄况下转换兆瓦级的功率。

雪崩晶体管振荡器

用点和存储二极管振荡器作为脉冲整形器可在前沿宽度50-1000ps时得到幅度为100-120V 的电压降。隧道二极管振荡器形成的信号，其前沿宽度可达20ps，但电压幅度不超过0.5V。

由于采用了天线阵，超宽带脉冲雷达的能量潜力大大的提高，天线阵把各个辐射单元的部分信号在空间相干叠加的可能性与天线冲击的超宽带无线电探测脉冲形成器的优点结合了起来。

采用较大功率的冲击激励脉冲振荡器(到数千兆)，它可具有所要求的宽带性及其他特性。冲