雷达的基本原理及技术参比

雷达的基本原理及技术参比一、地质雷达基本原理探地雷达作为工程物探检测的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点。探地雷达由一体化主机、天线单元及配套软件等几部分组成，根据电磁波在有耗介质中的传播特性，发射天线向被测介质发射高频率宽频短脉冲电磁波，当其遇到异质体(界面)时会反射一部分电磁波，其反射系数主要取决与被测介质的介电常数，雷达主机通过对此部分的反射波进行适时接收和处理，达到识别目标物体的目的(见图1，2)。图1.电磁波勘探原理示意图图2.探地雷达工作原理示意图探地雷达勘探流程示意图如下：电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与反射波的时间差ΔT，即可据下式算出异常的埋藏深度H：式中，H即为目标层厚度；V是电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由下式表示：式中，C是电磁波在大气中的传播速度，约为30cm/ns；ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数r可表示为：式中，ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。导电率越高，穿透深度越小；中心频率越高，穿透深度越小，反之亦然。二、技术参比各国对于雷达的设计理念有所不同，但原理相同。基本系统主要包括三个部分，分别是主机、天线和分析软件。经过预先的考察，我室先后联系了意大利、加拿大、拉脱维亚、俄罗斯四国在我国的总代理。在我白鹤嘴水厂出厂管处，对该厂ø1600供水砼管沿途进行了相同实验场地的综合管线的探测。经过现场测试的实际效果和后期数据处理以及各仪器不同特性，从这三个部分对现在中国市场上主要的雷达品牌综合对比。1、主机序号性能指标俄罗斯OKO-2意大利RIS青岛LTD美国SIR20瑞典RAMAC1通道数1-81-22222脉冲重复频率400KHz400KHz128KHz192KHz200KHz3扫描速率1000扫/秒850扫/秒250扫/秒400扫/秒500扫/秒4时窗9999ns9999ns5000ns8000ns8000ns5存储方式硬盘硬盘SD硬盘硬盘6重量0.9kg1.2kg4kg10kg3.2kg7叠加数1～1000001～327681～655351～327681～327688采样率128～8192128～8192128～2048128～2048128～81929信噪比160dB160dB120dB120dB120dB10动态范围160dB160dB130dB120dB120dB11显示方式笔记本电脑笔记本电脑专业显示器笔记本电脑笔记本电脑12增益最大值120dB120dB40dB110dB120dB1)在通道数方面，道数越多，同时连接天线的速度便可越大。数据采集便更加的高效，准确。2)脉冲重复频率，脉冲重复频率为主机的脉冲发射速度，电磁波发射的速度越快就能够保证设备更快的探测速度，这也就在保证探测精度的情况下更快的提高效率。3)扫描速率，扫描速率代表着主机的接收速率，扫描速率越高就代表能够进行的探测速度会更高，工作效率更高。4)时窗，时窗代表着雷达探测的显示深度，在很多情况下探测深度会在显示的深度范围之内，但是在冰川或者更加纯净均一的介质中，探测的深度更深，这样时窗越大也就在很大程度上影响了探测深度。5)增益，雷达所采集的原始数据中包含了所有探测的信息，但是不进行增益的话就很难清晰的显示。在采集现场，自动增益的操作更加方便，所需要的专业知识和经验更少，而手动增益就需要一定的专业知识和丰富的经验作为背景，操作起来要复杂很多。6)存储方式，其实很重要，存储量更大，数据存储越多，一次性工作量就越大。将所有的数据直接存储在笔记本电脑中。电脑的硬盘可以轻松升级，能够完全满足一般的探测需求。7)外形尺寸。雷达检测的工作量越来越大，很多都是长时间的野外工作。更轻更小的主机更加适应野外的长时间工作，大大减少了操作者的体力消耗。8)采样率，采样率直接影响着图像的清晰程度，采样率越大，探测到的数据就会越清晰，就更加有助于对探测的判断。9)信噪比和动态范围，在使用探地雷达的探测中，地下的环境噪音会对整个探测造成一定的影响，要想获得更加清晰而且有效的结果，需要加强雷达自身信号的能量，还要在接收信号时有效的减小环境噪音的影响。有很好的信噪比和动态范围就能够很好的增加本身信号的能量，减小外界环境噪音的影响，使得图像显示的更加清楚。10)显示方式，显示效果越清晰越好，受环境等因素（例如：阳光）的影响就越小。对于雷达波形的解释也更加有利更加清晰。2、天线一般的雷达探测采用的是单天线探测，而这种方式在进行复杂管网、多层钢筋和一些疑难的空洞、高含水等情况时就很难探测出来。采用天线组合技术能够一次完成深部和浅部的高分辨率的探测，兼顾了探测深度和分辨率的要求。天线组合技术很好的解决了这个问题，能够通过多个通道探测到不同的病害信息，大大增加了探测的准确度和精度。同时连接两个不同频率的天线，一次得到２张雷达剖面图。特别是针对于武汉地区地下水位较高的城市而言，在相同天线配置的情况下，该仪器探测深度破有优势。3、软件雷达的软件对整个雷达的数据采集和处理都非常重要，软件的分析和处理能力直接影响到数据的采集和分析。软件应该能够进行各种雷达数据的处理，包括增益、滤波、傅立叶变换、偏移归位等等。最好能拥有自动处理、自动分层分析和３Ｄ解释等功能。为了让非专业人员也能够轻松的学会软件，实现简单的雷达操作。软件应实现全汉化。以上一些想法，均建立在我室对雷达的要求及实地雷达演示后所得各项技术参数的类比的基础。希望能为我集团及其他部门的雷达选型及使用提供一些参考。不足之处，还望多指正。武汉市水务集团报装办测量室2011.10