雷达硬件及采样参数选取详解.ppt

第四章 探地雷达硬件 介绍探地雷达硬件系统，即采集系统的设计与实现。重点介绍探地雷达的控制单元、接收机、发射机的基本原理。本文介绍的探地雷达采集系统以中国矿业大学（北京）自主研制的GR系列探地雷达为例。目前探地雷达的采集系统，其工作原理基本相同。 雷达采集系统的设计总体分为以下两种：分离式设计和组合式设计。 分离式设计主要有两种形式： （1）将天线发射控制器（发射机）和接收控制器（接收机）独立出来，采用不同的天线与其配合使用。 这种结构成本低，但是由于接线较多，野外使用不方便。这种分离式设计常常在振子非屏蔽天线上使用。 50MHz 非屏蔽天线 发射天线 接收天线 4.1 探地雷达硬件系统结构 （2）将控制采集的主机与控制单元分离，控制主机通过计算机的并口或串口与控制单元连接。 这种分离优点是可以随时更换主机，但是缺点也是接线太多，同样不利于野外复杂地区使用。 控制单元 天线阵+GPS 主机+控制单元 主机 GR－III 型探地雷达采集系统为蓝本进行介绍，无论组合式设计还是分离式设计，其控制信号流程完全一致： 发射子系统 接收子系统 控制单元系统 微机系统 1. 各系统主要功能 发射天线系统：控制单元系统的触发下，利用雪崩开关方式进行快速加压，产生高压窄脉冲电信号，并以此信号作为雷达发射控制脉冲，通过发射天线向地下发射电磁波。 接收天线系统：用接收天线接收高频雷达反射波信号，通过高频放大器进行放大，然后在控制单元系统的触发下，将放大信号后的通过采样头进行采样保持，从而将高频信号变成低频信号由控制单元系统能够进行精确采样。 控制单元系统：在微机系统的控制下，为发射天线系统和接收天线系统提供经过精确定时的启动触发脉冲，同时对来自接收天线系统采样保持后的雷达反射波信号进行程控增益放大和A/D转换，并将得到的数字化雷达反射波信号通过微机系统总线存放到内存中，供微机显示、存储、分析和处理。 微机系统：对探地雷达各子系统的工作流程进行管理、存储、显示。接收由控制单元系统采集得到的雷达数字信号，并对这些信号进行多种方法的信号处理。 2. 各系统之间的信号关系 通过总线进行信息的传递 ① 固定延迟参数，固定延迟控制发射脉冲的延迟时间。 ②步进延迟参数，步进延迟控制接收脉冲的精确步进延迟。 ③采样启动信号。 ④传送采样数据。 单根50欧姆同轴电缆 控制单元向发射天线系统发送负脉冲触发信号 第一根50欧姆同轴电缆 控制单元向发射天线系统发送负脉冲触发信号 第二根50欧姆同轴电缆 接收机采样保持数据传输到数据采集卡上，进行模数转换 4.2 探地雷达数据采集基本原理 1. 信号分类 模拟信号——若 t 是定义在时间轴上的连续变量，则称 x(t)为连续时间信号，即模拟信号。 离散时间信号——若 t 是仅在时间轴上的离散点取值，则称 x(t) 为离散时间信号。将 x(t) 改记为x(nTs), Ts为两点间的间隔时间，又称采样周期。 Ts归一化为1时，可简记为x(n)。 ——离散信号在时间上是离散的，但是其幅度在某一范围内可以是连续的。 数字信号——在时间和幅度上都取离散值的信号。 2. 连续信号的离散化 在实际中工作中，信号的采样（又称为抽样）是通过A/D转换电路来实的，通过控制A/D转换器在不同的时刻进行采样和量化，可以将连续信号x(t)变为数字信号x(nTs)。 将连续信号变成梳子信号是获取原始数据的重要手段之一，也是在计算机上实现数字信号处理的必要步骤。 将x(t)变成离散信号x(nTs) 维持x(t)信号的电平不变 将采样信号量化为数字信号X(n) 关键步骤 4.2 探地雷达数据采集基本原理 连续时间信号x(t) (b) 冲激函数p(t) (c) 理想冲激抽样函数x(n) 采样步骤是通过冲激函数来完成的， 理想冲击函数的形式： 当 时， 为抽样间隔 4.2 探地雷达数据采集基本原理 3. 等效采样 4.2 探地雷达数据采集基本原理 在A/D转换过程中，目前使用的A/D转换器采样速度都不快，16bit的A/D其采样率在200KHz左右，则一个采样间隔大约为5微秒，而发射脉冲的时间是非常短的，一个发射脉冲仅有几到几百纳秒。 因此，如何用时间间隔长得多的采样信号来采集较短的发射信号脉冲，是探地雷达采集技术的难点。 ——通过使用等效采样的方法，来实现这种高频模拟信号的数字化。 1、发射脉冲间隔时间太短（纳秒级），采样间隔大于发射脉冲（微秒级）； ——无法对应直接采样并保持； 2、发射脉冲具有重复性（周期为Ta）。