雷达手册第3版(中文)_第21章 地面穿透雷达.pdf

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1、第21章地面穿透霄达21.1引言术语地面穿透雷达(GPR)、地面探测雷达、地表下雷达或表面穿透雷达(SPR)是指基于雷达的一种电磁技术，主要设计用来定位埋藏在地表面之下的物体或位于视觉上不透明结构中的物体。GPR是利用超宽带雷达的一个成功的例子，典型作用距离为1m的GPR工作在0.3~3.3GHz范围内。尽管GPR与雷达系统有很多相似之处，但它们之间仍有一些关键的区别，所以当将它们与常规雷达相比时要重视这点。GPR系统是超宽带(UWB)雷达系统的特殊的一类，它可以在带宽增至10倍的范围内辐射出几个MHz至10GHz的能

2、量，但是通常更多的是2~3个倍频程。一般在所感兴趣的波段中积累的平均辐射能量可以达到毫瓦级，但每赫兹的能量可能低到皮瓦。GPR通常的工作环境是在有损耗的绝缘体中，目标只距天线孔径几个波长。依赖于材料特性，几个波长中的总路径损耗可以达到100dB或更多。许多GRP系统工作在辐射波长比目标尺寸大或与目标尺寸同一数量级的区域。这样，GPR就工作在Raylei院和Mie区域之间或者是目标尺寸的谐振区内。这与常规雷达相差很大，因在常规雷达中，目标尺寸比入射的波长长许多，也就是工作在光学区域中。GPR技术主要是面向应用的，并且整个

3、设计理念及硬件通常依赖于目标类型和目标材料，以及其周围环境。在近距离上，GPR易遭受极高电平杂波攻击，并且正是这点(而不是信号/噪声提取)成为GPR主要的技术挑战。规定对这个系统的要求时应该考虑这点。所有这些方面都向GPR提出了特殊的设计问题，这由Daniel[ll进行了详细描述。本章总结了该材料并且由IEE授权引用。圈21.1是一个典型的GPR系统，包括一对发射天线和接收天线，它们分别与发射机、接收机和处理器相连，放在一个密封机壳内，并且还包括一个电池和控制处理器及显示单元。轮子驱动一个触发数据获取的转轴编码器，因此

4、显示器就与系统的运动同步。圈21.2给出了显示器的例子，它采用由GPR观测到的地面横截面形式。水平刻度是每个标记10cm，垂直刻度是时间，单位纳秒(Slns)。图像的解释随后在本章内提供。GPR系统设计可以分为两类。发射一个脉冲并用一个采样接收机接收来自目标的反射信号的GPR系统可被认为是工作在时域范围内的。以顺序方式发射单个频率并用一个频率转换接收机接收来自目标反射信号的GPR系统可以被认为是工作在频域范围内的。电磁信号的第一次使用是确定遥远陆地上的金属物体的存在，通常这归功于1904年Hülsenbeck的工作:但

5、是定位掩埋物体的使用的首次描述六年之后出现在德国，专利权归Leimbach和Lowyo1926年HUlsenbeck的工作是，第一次用脉冲技术来确定掩埋物体的结构。他注意到任何介质的变化，不一定非要包括导电性，也同样可以产生反射，并且由于可较容易地实现方向性源，这个技术比地震方法具有优势。作为很深的冰层(Steenson[2l和.878.雷达手册(第二版)雷达处理器和显示器电池安装发射机接收机和天线的机壳图21.1典型的GPR系统〈美国雷达公司)图21.2典型的GPR雷达显示形式Evans[3])、淡水、盐矿层(Unt

6、erberger[4])的一种探测表21，1GPR的主要应用方法，脉冲技术自20世纪30年代开发以来一直向前考古研究发展。COOk[7，8]和Roe[9]研究了对岩石和煤的探测，尽桥面板分析管后者材料的衰减度较高意味着超过几米的深度并不埋藏地雷的探测(反人的和反坦克的)切实际。Nilsson[lO]对GPR到20世纪70年代中期的发法医调查〈探测掩埋的尸体)展给出了范围更扩大的叙述。自20世纪70年代以地球物理研究」来，GPR的应用范围已经稳步地扩大，到现在它已包管道和电缆探测括了表21.1中所列出的全部内容。为这些每

7、一项应用铁路轨道和路基检查特定制造的设备都己经开发出来了，井且现在的用户道路情况测量有更多的设备和技术方面的更好选择。雪、冰及冰河作为各种应用要求的结果，GPR得到了快速发展。但是由于要求变得更为苛刻，这些设备、技术和数据处理方法都在不断地开发和改进。GPR发射一组有规则的顺序的低能量电磁脉冲至材料中或地面中，然后接收并探测来自于掩埋目标的微弱反射信号。能量形式可以是非常短的脉冲，或扫过→定频率范围的信号，或指定波段上的噪声辐射:或以伪随机编码顺序的脉冲。大部分GPR系统都需要遵循相应的第21章地面穿透雷达•879•国

8、内或国际对无线电发射机的规章，其工作频率范围在10MHz~10GHz，并可以达到几G隘的带宽。美国通信委员会(FCC)对超宽带(UWB)的要求将辐射能量限制在41dBmHz一l之下。雷达系统设计的课题己经在许多书中涵盖，可以在以下的文献中找到有用的信息:Daniels[ll.14121Cook和Bemfeld[町、Sko1nik[