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浅析探地雷达技术目前存在的问题及未来展望

导读: 虽然探地雷达在水文、工程、环境等领域已得到广泛的应用,但由于许多基本的理论和技术问题至今未得到根本解决,因而探地雷达的真正优势并没有得到充分的发挥。

虽然探地雷达在水文、工程、环境等领域已得到广泛的应用,但由于许多基本的理论和技术问题至今未得到根本解决,因而探地雷达的真正优势并没有得到充分的发挥。

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探地雷达技术当前存在的主要问题包括:

1)探测深度浅,探测深度和分辨率的矛盾无法克服,加大探测深度意味着牺牲探测分辨率;

2)多次波及其它杂波干扰严重,且一直没有好的消除办法,国内外的雷达均存在这一严重问题;

3)介质不均匀影响很大,且无法消除,导致难以获得必要的速度资料;

4)单发单收的数据采集方式能够提供给后期处理和解释的信息量有限。

以上几个问题对探地雷达来说是致命性的缺陷。尽管众多地球物理学家、电磁学专家和物探工作者对雷达的天线设计、信号处理、地下目标成像等方面做了大量的研究和改进,但这些工作只是对现有探地雷达体制进行的局部的修正,要想探地雷达技术向前发展,必须更新思路,从根本原理上解决问题。

针对这一状况,专家于1999年提出研制一套新型的探地雷达系统——相控阵探地雷达探测系统。

其基本研究思路是利用目前军事上较成熟的相控阵雷达技术,将目前的单极子雷达天线代之以相控阵雷达天线,其目的旨在通过相控阵技术将电磁波聚成一个窄波束向地下(或探测对象)发射,采用多通道采集技术接收目标体反射的雷达回波信号,并对其进行先进的数据处理最终给出探测对象内部结构的三维图像。

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探地雷达技术发展展望

值得指出的是,目前市场上已有类似产品出现,如某公司的RIS天线阵系列,但这些产品只是将多个单极子天线简单地组合成阵列天线,与相控阵探地雷达思想有本质的区别。

由于相控阵雷达通过对各通道相位延时的控制将电磁波会聚成一个窄束,因而能量集中,波前扩散小,因此,在相同频率和发射功率条件下相控阵雷达的探测深度要大得多;反言之,在同一探测深度条件下,相控阵雷达可以把发射功率提高,因而其分辨率比现有雷达要高得多。此外,由于将球面波发射改为波束发射,介质不均匀影响要小得多。

其次,相控阵雷达工作属于连续扫描方式,可以多方向扫描,因而信息量较之现有探地雷达要大得多,对有些特殊探测工作,如堤防防渗墙质量检测等,其作用是现有探地雷达无法相比的(单极子天线雷达根本无法检测堤防防渗墙的接缝、开叉等缺陷)。

由于相控阵雷达是多通道接收信号,可以进行多道叠加,如同反射地震勘探的多次覆盖技术。因此,多次波干扰可极大地消除,这是现有雷达难以做到的。高频(600MHz-1GHz)相控阵探地雷达的天线可以做得较小,在浅层探测时,其优越性也是现有探地雷达无法比拟的。

目前这套系统样机已经完成,采用中心频率为900MHz的无载波脉冲工作体制,发射和接收天线分离,16(4×4)发射通道形成波束聚集、扫描16(4×4)通道接收回波,可选扫描角度为-36°、-24°、-12°、0°、12°、24°、36°七个方向。

系统的软件部份具有丰富的数据处理功能,主要的常规处理有滤波、增益调整、静动校正、反褶积、复信号分析、时频分析等,多通道数据处理如速度分析、叠加技术、相干分析技术、阵列信号处理等。及各种杂波干扰下弱信号的提取、目标的自动识别和反演解释等。并在宜昌三峡大坝对混凝土检测做了大量的现场实验,实验结果表明相控阵雷达的聚束扫描功能已经实现,穿透深度大于1.5m且分辨率高于普通雷达。

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