MIRA三維探地雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)概述

前言

MIRA系統(tǒng)由幾個(gè)必需的子系統(tǒng)構(gòu)成。該概述文件將對(duì)各部分作出詳細(xì)介紹。需要指出的是該系統(tǒng)包含了新的技術(shù)。

用戶的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，我們無法把該產(chǎn)品定位為某一種或幾種應(yīng)用領(lǐng)域。因此下面的產(chǎn)品描述集中在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，如果用戶希望應(yīng)用MIRA系統(tǒng)到特殊的領(lǐng)域，請(qǐng)不要受該概述文件的束縛，我們會(huì)制造出適合您的產(chǎn)品。用戶提出的特殊要求，數(shù)據(jù)采集方案，天線頻率，定位系統(tǒng)，通訊界面等，我們都可以為用戶進(jìn)行量身訂制。我們會(huì)根據(jù)您的特殊要求提出適合您的方案。

 三維陣列雷達(dá)—概念的澄清

市場(chǎng)上幾乎所有的多道天線應(yīng)用都用到“陣列雷達(dá)”這個(gè)術(shù)語，它實(shí)際上是一種誤導(dǎo)。有必要弄清真正進(jìn)行三維雷達(dá)采集的系統(tǒng)和僅僅進(jìn)行多道數(shù)據(jù)采集的雷達(dá)系統(tǒng)的區(qū)別。MALA公司建議從下面的幾個(gè)方面進(jìn)行區(qū)分。

MALA公司建議真正的三維陣列雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下四個(gè)條件：

1、在采集時(shí)三維雷達(dá)的剖面間距應(yīng)該小于天線中心波長(zhǎng)的1/4

該條件是非常必要的，只有滿足這個(gè)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(duì)三維雷達(dá)數(shù)據(jù)采集來說，避免空間采樣不足是必需的。而用傳統(tǒng)雷達(dá)時(shí)，該條件幾乎從沒有滿足過。也許有人會(huì)爭(zhēng)辯說由于探測(cè)的物體在某一個(gè)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(jīng)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(shù)據(jù)解釋時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量也會(huì)嚴(yán)重下降。對(duì)非線性目標(biāo)體來說，該條件尤為重要，如果數(shù)據(jù)采樣不足，解釋起來會(huì)非常困難。假設(shè)要探測(cè)的介質(zhì)的介電常數(shù)為9（介質(zhì)速度近似為100m/us），建議對(duì)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(shù)據(jù)解釋了為什么以前的雷達(dá)無法進(jìn)行真正的三維數(shù)據(jù)的原因。用傳統(tǒng)的雷達(dá)是不可能用6.3厘米的剖面間距進(jìn)行幾千平方米場(chǎng)地的數(shù)據(jù)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(hào)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(gè)接收天線都至少能接收到兩個(gè)發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)。實(shí)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(shí)際空間需求，該條件在每一個(gè)采集點(diǎn)都能得到多個(gè)偏移距的采集數(shù)據(jù)（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(chǎn)生“近似完全相同”的信號(hào)

為了產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像，必須讓每一道接收機(jī)從同一個(gè)反射目標(biāo)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(huì)產(chǎn)生偽圖像和其它假象。有人會(huì)辯解說該假信號(hào)會(huì)處理掉，但是很多時(shí)候這種假信號(hào)是無法同處理手段去除的。在理想狀態(tài)下，從每一個(gè)接收機(jī)得到的信號(hào)都有相同的頻譜，不管它接收的信號(hào)來自哪一個(gè)天線。這意味著當(dāng)是同同樣的天線方向圖時(shí)，所有的天線都產(chǎn)生同樣的中心頻率。因此，因此需要非常仔細(xì)地調(diào)整天線并仔細(xì)控制陣列天線。

4、天線陣列系統(tǒng)必須有一個(gè)定位裝置，其必須滿足在整個(gè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)至少小于剖面間距的1/2

常規(guī)的三維雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和成圖是把整個(gè)探測(cè)區(qū)域分成很多小區(qū)域。在處理和解釋前，每個(gè)小的區(qū)域都“滿足”數(shù)據(jù)是從該空間中的某一個(gè)指定點(diǎn)這一條件。該小區(qū)域常被認(rèn)作是小立方體，為了讓數(shù)據(jù)位置準(zhǔn)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(zhǔn)確定位是非常關(guān)鍵的，沒有準(zhǔn)確定位的數(shù)據(jù)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(shù)假三維雷達(dá)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。當(dāng)評(píng)估三維陣列雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，研究其系統(tǒng)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(dá)是不存在的。同樣，一個(gè)波長(zhǎng)以上的剖面間距產(chǎn)生的陣列雷達(dá)是有嚴(yán)重問題的，圖像質(zhì)量和結(jié)果解釋都是不可靠的。

控制單元—陣列天線模塊

用于MIRA系統(tǒng)中的主機(jī)是ProEx控制單元和陣列天線模塊，它不需要單獨(dú)的主機(jī)。這一部分是MIRA系統(tǒng)的部分，它根據(jù)選定的采集方式對(duì)各個(gè)天線產(chǎn)生控制信號(hào)，并管理輸入的數(shù)據(jù)。由于它采用新穎的技術(shù)的控制信號(hào)發(fā)生器和多個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)芯片的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量。一個(gè)16道的常規(guī)MIRA系統(tǒng)包含了10個(gè)特殊設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)芯片（它們并行采集數(shù)據(jù)），緩存器和傳輸部分。

陣列天線模塊，可擴(kuò)展成多達(dá)16個(gè)接收天線和16個(gè)發(fā)射天線。對(duì)每一個(gè)采樣點(diǎn)，主機(jī)可以控制任意天線發(fā)射和接收。

圖1：ProEx主機(jī)和陣列天線模塊

上圖1顯示的是MIRA系統(tǒng)的主機(jī)部分。主機(jī)與天線用同軸電纜相連，用來傳輸控制信號(hào)和數(shù)據(jù)。它從ProEx主機(jī)供電，12V@3A，并通過網(wǎng)線連接到采集用的筆記本電腦上。

常用的數(shù)據(jù)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(gè)發(fā)射天線同步。

    圖2：常用道數(shù)配置，為了得到小剖面間距，每一個(gè)接收機(jī)都與兩個(gè)發(fā)射機(jī)同步

采集軟件會(huì)自動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集順序。

如果我們用200kHz的脈沖重復(fù)頻率，道間距為8厘米，樣點(diǎn)數(shù)為350，則該系統(tǒng)的采集速度可達(dá)69km/h,它完滿足探測(cè)需求。

天線

MIRA系統(tǒng)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(gè)觸發(fā)線，而接收天線（R）有一個(gè)電源線，一個(gè)觸發(fā)線和一個(gè)數(shù)據(jù)線。MIRA分離天線設(shè)計(jì)成每一個(gè)天線接收的信號(hào)都相同，陣列天線中的每一個(gè)數(shù)據(jù)通道都分別測(cè)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(chǎn)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(nèi)部包括脈沖發(fā)生器，采樣電路和信號(hào)輸入電路，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成16位的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)疥嚵刑炀€模塊中，放入緩存器中，隨后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的硬盤中進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

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

定位系統(tǒng)

任何MIRA系統(tǒng)的使用都需要準(zhǔn)確定位系統(tǒng)，以便準(zhǔn)確確定各剖面的位置。我們可以選擇全站儀或GPS。一個(gè)棱鏡或GPS天線裝在陣列天線箱上，位置數(shù)據(jù)從基站或全站儀無線傳輸?shù)讲杉玫墓P記本電腦中。

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

探測(cè)時(shí)，每一個(gè)探測(cè)剖面都能控制，為了完全覆蓋整個(gè)探測(cè)區(qū)域，每次都應(yīng)該覆蓋一點(diǎn)上次的探測(cè)區(qū)域。覆蓋過多時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)控制及處理。常規(guī)軟件在處理沒有覆蓋到的區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生認(rèn)為假像，盡管我們的軟件會(huì)解決這一問題，但要想得到好的數(shù)據(jù)質(zhì)量，仔細(xì)控制采集過程。

全站儀和GPS各有其優(yōu)缺點(diǎn)，我們不在這里做詳細(xì)論述。不過要注意只要起點(diǎn)和終點(diǎn)定位好，中間過程如果出現(xiàn)暫時(shí)的喪失定位追蹤，數(shù)據(jù)依然可以使用。

拖車系統(tǒng)

MIRA系統(tǒng)的應(yīng)用范圍是大面積的雷達(dá)探測(cè)，因此對(duì)幾千平方米以上的探測(cè)區(qū)域來說，用手推會(huì)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(tǒng)，

選擇車輛時(shí)，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(xiǎn)絲和開關(guān)

能固定定位系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)采集之前，要做探測(cè)方案和計(jì)劃。建議如果可能的話，沿直線采集數(shù)據(jù)。MIRA系統(tǒng)并不要求一定按直線采集數(shù)據(jù)，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(duì)整個(gè)探測(cè)區(qū)域進(jìn)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(dá)采集數(shù)據(jù)前，當(dāng)對(duì)參考點(diǎn)成圖時(shí)（建筑物、人造孔、路面等），計(jì)劃好有多少不同的全站儀位置。

為了控制實(shí)際的數(shù)據(jù)采集，要用測(cè)距輪來設(shè)定高的道間距（測(cè)點(diǎn)間的距離）。測(cè)距輪固定在車輛上，直接與ProEx主機(jī)相連。測(cè)距輪控制沿測(cè)線方向的數(shù)據(jù)采集，而定位系統(tǒng)記錄位置信息。當(dāng)選擇測(cè)點(diǎn)間的距離時(shí)，建議至少為天線內(nèi)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(dá)數(shù)據(jù)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(yīng)盡量減少未覆蓋的區(qū)域，盡管這些區(qū)域?qū)?shù)據(jù)解釋不會(huì)造成很大影響 ;mso-hansi-font-family: SimSun;mso-bidi-font-family:SimSun;color:black;mso-font-kerning:0pt'>數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)采集之前，要做探測(cè)方案和計(jì)劃。建議如果可能的話，沿直線采集數(shù)據(jù)。MIRA系統(tǒng)并不要求一定按直線采集數(shù)據(jù)，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(duì)整個(gè)探測(cè)區(qū)域進(jìn)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(dá)采集數(shù)據(jù)前，當(dāng)對(duì)參考點(diǎn)成圖時(shí)（建筑物、人造孔、路面等），計(jì)劃好有多少不同的全站儀位置。

采集和處理軟件

MIRA系統(tǒng)用兩個(gè)軟件來得到終的三維結(jié)果，MIRAsoft用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，rSlicer用于數(shù)據(jù)處理和解釋。目前的軟件是在Windows2000/XP下運(yùn)行的。

采集軟件直接控制數(shù)據(jù)采集過程，包括從位置系統(tǒng)中得到的數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行檢查。陣列天線的采集參數(shù)設(shè)置多數(shù)情況下按默認(rèn)值就可以了，它的界面簡(jiǎn)潔易用。在采集時(shí)做數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查是很有必要的，它包括單道數(shù)據(jù)監(jiān)控和位置偏差分析。

RSlicer軟件用來對(duì)MALA雷達(dá)采集的三維雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋，它包括數(shù)據(jù)處理，解釋和雷達(dá)數(shù)據(jù)的三維偏移，隨后進(jìn)行交互式結(jié)果解釋。結(jié)果可以直接打印，也可以以TIFF格式或DXF格式進(jìn)行保存。迄今為止，rSlicer是的無縫進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和處理解釋的軟件。這意味著，我們不需要做繁瑣的數(shù)據(jù)輸入工作。

RSlicer是現(xiàn)代的、基于項(xiàng)目管理的軟件，它雷達(dá)數(shù)據(jù)處理所需的常規(guī)處理功能，也有特定的三維雷達(dá)數(shù)據(jù)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(biāo)系統(tǒng)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(xì)節(jié)

附件

該系統(tǒng)的主要部分已經(jīng)在上面做了說明，為了進(jìn)行有效探測(cè)，減少麻煩，下列工具是必要的：

- 做記號(hào)的工具（油漆，粉筆等）用于在地面上畫出探測(cè)路徑，為了讓操作者確保對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)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(shù)據(jù)采集的測(cè)距輪。一般把它固定的汽車的某個(gè)輪子上。

- 供電，用汽車上的電瓶是很方便的。

技術(shù)指標(biāo)

主機(jī)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(fù)頻率：100kHz 和200kHz

時(shí)間窗：130ns, 小

數(shù)據(jù)輸入：16位

道數(shù)：31道，多裝16和接收天線和16個(gè)發(fā)射天線

樣點(diǎn)數(shù)：可達(dá)1024

通訊：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以太網(wǎng)，100Mbit/s

定位輸入：與所有MALA測(cè)距輪兼容

環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)：IP65

1.3GHz天線

尺寸：90×114×85 （mm）(長(zhǎng)×寬×高)

重量：1.5kg

供電：0.9A@12V1.2A/對(duì)

中心頻率：1.3GHz

帶寬：>100%

電纜長(zhǎng)度（同軸）:        >10m

電纜接頭：BNC

AD轉(zhuǎn)換：16位

制造標(biāo)準(zhǔn)：EN３０２０６６－１

環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)：ＩＰ６５

４００ＭＨｚ天線

尺寸：２３０×１６５×１６０（mm）(長(zhǎng)×寬×高)

重量：２.１kg

供電：0.9A@12V1.2A/對(duì)

中心頻率：４００ＭＨｚ

帶寬：>100%

電纜長(zhǎng)度（同軸）:        >10m

電纜接頭：BNC

AD轉(zhuǎn)換：16位

制造標(biāo)準(zhǔn)：EN３０２０６６－１

環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)：ＩＰ６５

２００兆天線

尺寸：４５５×２５５×２５（mm）(長(zhǎng)×寬×高)

重量：４．２kg

供電：0.9A@12V1.2A/對(duì)

中心頻率：２００ＭＨｚ

帶寬：>100%

電纜長(zhǎng)度（同軸）:        >10m

電纜接頭：BNC

AD轉(zhuǎn)換：16位

制造標(biāo)準(zhǔn)：EN３０２０６６－１

環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)：ＩＰ６５