探地雷达品牌:SFCW步进频率连续雷达波技术介绍

随着当代社会及科学的进步与发展,人类社会对雷达的功能要求越来越高,不仅要求雷达能够测量目标的距离信息,还希望能够测量目标的运动速度、相位以及加速度等信息;有时还需要雷达能够对目标物进行一维、二维乃至三维成像。今天,巡鹰智检与大家一起深入了解下此技术。

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目前,雷达系统根据其信号源的种类分为:

● 脉冲频雷达

● 调频连续波雷达

● 步进频率连续波雷达,等等

对于脉冲雷达和调频连续波雷达,因其信号源技术发展较早,技术及应用相对成熟。而步进频率连续波雷达的频率源发展相对较晚。最早也是在20世纪60年代末,美国学者Ruttenburg K和Chanzi L提出了一种新的提高雷达的距离分辨率的技术,也就是利用一连串跳变的脉冲信号来代替之前的普通的雷达频率源,这就是早期的步进频率信号的雏形。

近年来,随着雷达波及集成电路技术的深化应用,步进频率技术得到了长足的发展,并广泛应用于民用雷达领域,诸如探地雷达、穿墙雷达甚至智能交通的车载雷达中。它凭借其独有的特点,即利用较小的瞬时带宽,在工作时因为连续频率跳变又可以合成较大的工作带宽,这种特点可以大幅度的提高雷达分辨率,同时又降低系统的噪音系数,从而提高雷达的灵敏度,所以步进频率源和其收发系统的研究越来越得到国内外研究者的重视。

1997年,Cape Town高校研发出一种低成本、小体积的便携式步进频率雷达Mercury-A;

2000年,意大利的Alberti等人利用步进频率源研制出CORISTA遥感探测系统,在考古研究方面取得了很大的应用;

2005年,三星公司研制了一款步进频率的超宽带雷达系统,其频率范围 宽达600-5,600 MHz;

2009年,美国AKELA公司,研制出一款步进频率源的穿墙雷达,频率范围为500-2,000 MHz,带宽达到1.5 GHz,由于其带宽较宽,该雷达系统的距离分辨率可达0.1m;

2012年,D. Seyfried等人将步进频率雷达技术应用于地下探测领域,该雷达的频率范围为200-1,500 MHz,有效检测出埋在地下3-5 m深的管道以及电缆情况;

2014年,Liu和Sato等人,将步进频率雷达应用于土木工程领域,雷达频率范围为500-6,000 MHz,主要用来探测路面厚度、分层以及介电常数等参数。

步进频率连续雷达波(SFCW)作为连续波雷达,与脉冲频雷达存在一定差别。

首先,它发射的信号为连续波,所需要的频率源设计就容易很多,同时增加了波列长度;

其次,它不需要像脉冲频雷达那样共用发射和接收天线,不需要切换收发状态,减小系统的开关过程,有效消除雷达探测的“雾区”;

另外,它还包含超宽频段雷达波发射,因此不需要发射机拥有很高的峰值功率,同时信号的平均发射能量大,使得雷达系统可以实现远距离探测,又可在全深度范围内具有较好的深度分辨率。

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图 1 SFCW雷达:频域图(左)和频谱图(右)

从图1中SFCW雷达波信号的频域图可以看到:在步进频率信号中,对于单个子脉冲来说,其产生的瞬时带宽非常窄,而在多个窄带的脉冲中间进行频率调制就可以合成较大的工作带宽,步进频率信号就是利用此原理提高了雷达的距离分辨率。

同时,从SFCW雷达波的频谱图可以看到:雷达频谱是离散的(即每一个中心频率幅值非常高,其他杂散频率的本底噪音幅值很弱),这就能有效抑制外界的干扰频率,降低系统探测时的噪音干扰,提高系统的探测灵敏度。

巡鹰智检采用SFCW探地雷达实测数据

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图2 广州某地探地雷达实测图:SFCW (左)和双频脉冲(右)

图2为广州某地探地雷达实测图。左图为采用SFCW技术的GS8000探地雷达探测图,右图为市面上采用高、低双频脉冲天线的探地雷达探测图。

从右图中可以看到:特定频率的天线,仅对特定深度有最佳成像效果,该图中高频脉冲天线(右上)可清晰看到燃气管道,但对下方钢筋网探测不够清晰;低频脉冲天线(右下)可同时探测到管道和钢筋网,但钢筋网信号较弱,且底部出现较重的相干噪音条纹。

从左图中可以看到:SFCW步进宽频,可以理解为从全宽带范围内有许多中心频率的雷达波,每一个中心频率都在其对应的深度有最佳成像效果,同时它在此深度处还可以抑制其他频率在此处产生的相干噪音。因此,在全深度范围内都可以实现高清晰度成像,同时看到较强信号的管道、钢筋网、局部脱空以及很弱的相干噪音。

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图3 广州某地探地雷达实测图:-10超宽带SFCW(左),宽带SFCW(中),窄带SFCW(右)

其中左图为40-3,440 MHz超宽带SFCW天线采集,中图为40-1,000 MHz宽带SFCW天线采集,右图为220-740 MHz窄带SFCW天线采集。

从左图可以看到:采用超宽带SFCW天线进行浅层成像。目标脱空界面非常清晰、边界收尾也较陡直。

从中图可以看到:采用宽带SFCW天线进行全深度成像。选择默认的最宽的40-1,000 MHz频率范围,可以发现目标脱空信号非常明显,且有清晰边界收尾,但是脱空下方出现第二次激振信号。

从右图可以看到:采用窄带SFCW天线进行全深度成像。将SFCW天线模拟单频或者双频天线,将频率范围缩小至220-740 MHz,可以看到目标脱空下方呈现出二次、三次、四次、五次激振。该图像与传统单频或双频脉冲雷达图像相似。

综上所述

新型SFCW探地雷达采用频率逐次递进的窄带脉冲频合成超宽带频率连续雷达波,可以在全深度范围内进行一次性高清晰度成像,同时保证优异的深度分辨率和信噪比。此外,鉴于其自带多个离散性较好的单个子脉冲雷达波,它可以用来模拟传统脉冲频天线对地下结构进行有效探测。

关于巡鹰智检

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