MIRA三維探地雷達系統技術概述

前言

MIRA系統由幾個必需的子系統構成。該概述文件將對各部分作出詳細介紹。需要指出的是該系統包含了新的技術。

用戶的應用領域非常廣泛，我們無法把該產品定位為某一種或幾種應用領域。因此下面的產品描述集中在標準設計的產品，如果用戶希望應用MIRA系統到特殊的領域，請不要受該概述文件的束縛，我們會制造出適合您的產品。用戶提出的特殊要求，數據采集方案，天線頻率，定位系統，通訊界面等，我們都可以為用戶進行量身訂制。我們會根據您的特殊要求提出適合您的方案。

 三維陣列雷達—概念的澄清

市場上幾乎所有的多道天線應用都用到“陣列雷達”這個術語，它實際上是一種誤導。有必要弄清真正進行三維雷達采集的系統和僅僅進行多道數據采集的雷達系統的區(qū)別。MALA公司建議從下面的幾個方面進行區(qū)分。

MALA公司建議真正的三維陣列雷達系統應該滿足以下四個條件：

1、在采集時三維雷達的剖面間距應該小于天線中心波長的1/4

該條件是非常必要的，只有滿足這個條件才能避開圖像的空間假象，即由于采樣不足失掉地下信息。對三維雷達數據采集來說，避免空間采樣不足是必需的。而用傳統雷達時，該條件幾乎從沒有滿足過。也許有人會爭辯說由于探測的物體在某一個方向尺寸足夠大（如管線），該條件可以放寬，剖面間距0.5米~1米已經足夠了。不過，即使在這種條件下，如果剖面間距超過該條件，三維數據解釋時數據質量也會嚴重下降。對非線性目標體來說，該條件尤為重要，如果數據采樣不足，解釋起來會非常困難。假設要探測的介質的介電常數為9（介質速度近似為100m/us），建議對頻率為200兆，400兆和1300兆的天線來說，其剖面間距為12.5，6.3和2cm。這些數據解釋了為什么以前的雷達無法進行真正的三維數據的原因。用傳統的雷達是不可能用6.3厘米的剖面間距進行幾千平方米場地的數據采集的。

2、在陣列式天線中，任何發(fā)射和接收天線的組合都是可能的，即任何發(fā)射天線輻射的信號都能被任何接收天線接收

該條件有效地減少了剖面間距，它讓陣列天線中的任何一個接收天線都至少能接收到兩個發(fā)射天線發(fā)射的信號。實際上由于天線的物理空間的限制，該條件尤為重要。另外由于條件1的實際空間需求，該條件在每一個采集點都能得到多個偏移距的采集數據（即收發(fā)天線位置改變）。

 3、三維陣列中的所有天線，都必須產生“近似完全相同”的信號

為了產生高質量的圖像，必須讓每一道接收機從同一個反射目標體得到的信息是相同的。如果該條件不能完全滿足，圖像中就會產生偽圖像和其它假象。有人會辯解說該假信號會處理掉，但是很多時候這種假信號是無法同處理手段去除的。在理想狀態(tài)下，從每一個接收機得到的信號都有相同的頻譜，不管它接收的信號來自哪一個天線。這意味著當是同同樣的天線方向圖時，所有的天線都產生同樣的中心頻率。因此，因此需要非常仔細地調整天線并仔細控制陣列天線。

4、天線陣列系統必須有一個定位裝置，其必須滿足在整個探測區(qū)域內至少小于剖面間距的1/2

常規(guī)的三維雷達數據處理和成圖是把整個探測區(qū)域分成很多小區(qū)域。在處理和解釋前，每個小的區(qū)域都“滿足”數據是從該空間中的某一個指定點這一條件。該小區(qū)域常被認作是小立方體，為了讓數據位置準確，它的尺寸常被選擇為接近使用的剖面間距，因此位置必須小于剖面間距的1/2。準確定位是非常關鍵的，沒有準確定位的數據是毫無意義的。

上述四條是滿足三維陣列天線的必要條件，并能澄清多數假三維雷達的錯誤認識。當評估三維陣列雷達系統時，研究其系統描述，看其是否滿足上述條件。包含不同中心頻率及極化方向的真正三維雷達是不存在的。同樣，一個波長以上的剖面間距產生的陣列雷達是有嚴重問題的，圖像質量和結果解釋都是不可靠的。

控制單元—陣列天線模塊

用于MIRA系統中的主機是ProEx控制單元和陣列天線模塊，它不需要單獨的主機。這一部分是MIRA系統的部分，它根據選定的采集方式對各個天線產生控制信號，并管理輸入的數據。由于它采用新穎的技術的控制信號發(fā)生器和多個獨立的計算機芯片的數據管理系統，因此數據質量。一個16道的常規(guī)MIRA系統包含了10個特殊設計的計算機芯片（它們并行采集數據），緩存器和傳輸部分。

陣列天線模塊，可擴展成多達16個接收天線和16個發(fā)射天線。對每一個采樣點，主機可以控制任意天線發(fā)射和接收。

圖1：ProEx主機和陣列天線模塊

上圖1顯示的是MIRA系統的主機部分。主機與天線用同軸電纜相連，用來傳輸控制信號和數據。它從ProEx主機供電，12V@3A，并通過網線連接到采集用的筆記本電腦上。

常用的數據采集方式見下圖，為了得到盡可能小的剖面間距，每一接收天線都與兩個發(fā)射天線同步。

    圖2：常用道數配置，為了得到小剖面間距，每一個接收機都與兩個發(fā)射機同步

采集軟件會自動控制數據采集順序。

如果我們用200kHz的脈沖重復頻率，道間距為8厘米，樣點數為350，則該系統的采集速度可達69km/h,它完滿足探測需求。

天線

MIRA系統只采用分離的屏蔽天線，發(fā)射天線（T）有一根電源線和一個觸發(fā)線，而接收天線（R）有一個電源線，一個觸發(fā)線和一個數據線。MIRA分離天線設計成每一個天線接收的信號都相同，陣列天線中的每一個數據通道都分別測試。接收天線和發(fā)射天線都有指示燈來顯示它是否工作正常。目前投產的天線有200兆，400兆和1300兆。下圖3為400兆和1300兆天線。

天線內部包括脈沖發(fā)生器，采樣電路和信號輸入電路，并將信號轉換成16位的數字信號。數字信號傳輸到陣列天線模塊中，放入緩存器中，隨后傳輸到計算機的硬盤中進行存儲和顯示。

多個分離的屏蔽發(fā)射天線和接收天線裝在一個天線箱內，以方便野外探測。200兆和400兆天線箱內包括控制單元。

定位系統

任何MIRA系統的使用都需要準確定位系統，以便準確確定各剖面的位置。我們可以選擇全站儀或GPS。一個棱鏡或GPS天線裝在陣列天線箱上，位置數據從基站或全站儀無線傳輸到采集用的筆記本電腦中。

上圖是定位系統示意圖，用該系統，汽車上的操作者能夠控制/監(jiān)視雷達系統和定位系統。

探測時，每一個探測剖面都能控制，為了完全覆蓋整個探測區(qū)域，每次都應該覆蓋一點上次的探測區(qū)域。覆蓋過多時軟件會自動控制及處理。常規(guī)軟件在處理沒有覆蓋到的區(qū)域時會產生認為假像，盡管我們的軟件會解決這一問題，但要想得到好的數據質量，仔細控制采集過程。

全站儀和GPS各有其優(yōu)缺點，我們不在這里做詳細論述。不過要注意只要起點和終點定位好，中間過程如果出現暫時的喪失定位追蹤，數據依然可以使用。

拖車系統

MIRA系統的應用范圍是大面積的雷達探測，因此對幾千平方米以上的探測區(qū)域來說，用手推會比較累。建議選擇合適的車輛。

下圖所示的除草車非常適用于MIRA系統，

選擇車輛時，要滿足以下條件：

快速方便地連接天線箱

供電，一般電瓶要換成大電流的，要有電纜、保險絲和開關

能固定定位系統和電腦

用戶可以從MALA公司購買除草車，也可以自己選擇合適的車輛。

數據采集

在進行雷達數據采集之前，要做探測方案和計劃。建議如果可能的話，沿直線采集數據。MIRA系統并不要求一定按直線采集數據，不過如果條件允許，這樣做，這樣可以更好的控制覆蓋范圍。

對整個探測區(qū)域進行定位控制是必須的，如果使用全站儀，要有從全站儀到陣列天線的可視直線。在雷達采集數據前，當對參考點成圖時（建筑物、人造孔、路面等），計劃好有多少不同的全站儀位置。

為了控制實際的數據采集，要用測距輪來設定高的道間距（測點間的距離）。測距輪固定在車輛上，直接與ProEx主機相連。測距輪控制沿測線方向的數據采集，而定位系統記錄位置信息。當選擇測點間的距離時，建議至少為天線內剖面間距的距離。

在MIRA采集軟件中指定陣列天線采集的道間距，操作者要注意輸入的雷達數據和位置信息。下圖7中，由棱鏡/GPS記錄的采集路徑用彩色線顯示，白線代表兩次采集路徑間沒有覆蓋的區(qū)域。操作者應盡量減少未覆蓋的區(qū)域，盡管這些區(qū)域對數據解釋不會造成很大影響 ;mso-hansi-font-family: SimSun;mso-bidi-font-family:SimSun;color:black;mso-font-kerning:0pt'>數據采集

在進行雷達數據采集之前，要做探測方案和計劃。建議如果可能的話，沿直線采集數據。MIRA系統并不要求一定按直線采集數據，不過如果條件允許，這樣做，這樣可以更好的控制覆蓋范圍。

對整個探測區(qū)域進行定位控制是必須的，如果使用全站儀，要有從全站儀到陣列天線的可視直線。在雷達采集數據前，當對參考點成圖時（建筑物、人造孔、路面等），計劃好有多少不同的全站儀位置。

采集和處理軟件

MIRA系統用兩個軟件來得到終的三維結果，MIRAsoft用來進行數據采集，rSlicer用于數據處理和解釋。目前的軟件是在Windows2000/XP下運行的。

采集軟件直接控制數據采集過程，包括從位置系統中得到的數據，并對采集的數據實時進行檢查。陣列天線的采集參數設置多數情況下按默認值就可以了，它的界面簡潔易用。在采集時做數據質量檢查是很有必要的，它包括單道數據監(jiān)控和位置偏差分析。

RSlicer軟件用來對MALA雷達采集的三維雷達數據進行處理和解釋，它包括數據處理，解釋和雷達數據的三維偏移，隨后進行交互式結果解釋。結果可以直接打印，也可以以TIFF格式或DXF格式進行保存。迄今為止，rSlicer是的無縫進行數據輸入和處理解釋的軟件。這意味著，我們不需要做繁瑣的數據輸入工作。

RSlicer是現代的、基于項目管理的軟件，它雷達數據處理所需的常規(guī)處理功能，也有特定的三維雷達數據所需的處理和解釋功能。這些特定的三維功能有：

n 地形編輯

n 坐標系統變換

n 立體化和插入

n 三維偏移

n 特性編輯

n 帶狀盒能夠分析各部分細節(jié)

附件

該系統的主要部分已經在上面做了說明，為了進行有效探測，減少麻煩，下列工具是必要的：

- 做記號的工具（油漆，粉筆等）用于在地面上畫出探測路徑，為了讓操作者確保對探測區(qū)域進行完全覆蓋，它是很有用的。有效的工具是帶遙控的噴桶，把它固定在天線上。

- 控制數據采集的測距輪。一般把它固定的汽車的某個輪子上。

- 供電，用汽車上的電瓶是很方便的。

技術指標

主機及陣列天線模塊

尺寸：222×160×285 （mm）

重量：5.5kg

供電：3A@12V, 10~12V，可由汽車電瓶供電

脈沖重復頻率：100kHz 和200kHz

時間窗：130ns, 小

數據輸入：16位

道數：31道，多裝16和接收天線和16個發(fā)射天線

樣點數：可達1024

通訊：點對點以太網，100Mbit/s

定位輸入：與所有MALA測距輪兼容

環(huán)境標準：IP65

1.3GHz天線

尺寸：90×114×85 （mm）(長×寬×高)

重量：1.5kg

供電：0.9A@12V1.2A/對

中心頻率：1.3GHz

帶寬：>100%

電纜長度（同軸）:        >10m

電纜接頭：BNC

AD轉換：16位

制造標準：EN３０２０６６－１

環(huán)境標準：ＩＰ６５

４００ＭＨｚ天線

尺寸：２３０×１６５×１６０（mm）(長×寬×高)

重量：２.１kg

供電：0.9A@12V1.2A/對

中心頻率：４００ＭＨｚ

帶寬：>100%

電纜長度（同軸）:        >10m

電纜接頭：BNC

AD轉換：16位

制造標準：EN３０２０６６－１

環(huán)境標準：ＩＰ６５

２００兆天線

尺寸：４５５×２５５×２５（mm）(長×寬×高)

重量：４．２kg

供電：0.9A@12V1.2A/對

中心頻率：２００ＭＨｚ

帶寬：>100%

電纜長度（同軸）:        >10m

電纜接頭：BNC

AD轉換：16位

制造標準：EN３０２０６６－１

環(huán)境標準：ＩＰ６５