巡鷹智檢:探地雷達之SFCW技術淺析

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什么是步進頻率連續雷達波技術(SFCW)


隨著當代社會及科學的進步與發展,人類社會對雷達的功能要求越來越高,不僅要求雷達能夠測量目標的距離信息,還希望能夠測量目標的運動速度、相位以及加速度等信息;有時還需要雷達能夠對目標物進行一維、二維乃至三維成像。


目前,雷達系統根據其信號源的種類分為:

● 脈沖頻雷達

● 調頻連續波雷達

● 步進頻率連續波雷達,等等。


對于脈沖雷達和調頻連續波雷達,因其信號源技術發展較早,技術及應用相對成熟。而步進頻率連續波雷達的頻率源發展相對較晚。最早也是在20世紀60年代末,美國學者Ruttenburg K和Chanzi L提出了一種新的提高雷達的距離分辨率的技術,也就是利用一連串跳變的脈沖信號來代替之前的普通的雷達頻率源,這就是早期的步進頻率信號的雛形。


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近年來,隨著雷達波及集成電路技術的深化應用,步進頻率技術得到了長足的發展,并廣泛應用于民用雷達領域,諸如探地雷達、穿墻雷達甚至智能交通的車載雷達中。它憑借其獨有的特點,即利用較小的瞬時帶寬,在工作時因為連續頻率跳變又可以合成較大的工作帶寬,這種特點可以大幅度的提高雷達分辨率,同時又降低系統的噪音系數,從而提高雷達的靈敏度,所以步進頻率源和其收發系統的研究越來越得到國內外研究者的重視。


1997年,Cape Town高校研發出一種低成本、小體積的便攜式步進頻率雷達Mercury-A;

2000年,意大利的Alberti等人利用步進頻率源研制出CORISTA遙感探測系統,在考古研究方面取得了很大的應用;

2005年,三星公司研制了一款步進頻率的超寬帶雷達系統,其頻率范圍 寬達600-5,600MHz;

2009年,美國AKELA公司,研制出一款步進頻率源的穿墻雷達,頻率范圍為500-2,000MHz,帶寬達到1.5GHz,由于其帶寬較寬,該雷達系統的距離分辨率可達0.1m;

2012年,D. Seyfried等人將步進頻率雷達技術應用于地下探測領域,該雷達的頻率范圍為200-1,500MHz,有效檢測出埋在地下3-5m深的管道以及電纜情況;

1997年,Cape Town高校研發出一種低成本、小體積的便攜式步進頻率雷達Mercury-A;

2014年,Liu和Sato等人,將步進頻率雷達應用于土木工程領域,雷達頻率范圍為500-6,000MHz,主要用來探測路面厚度、分層以及介電常數等參數。


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步進頻率連續雷達波(SFCW)技術優勢:步進頻率連續雷達波(SFCW)作為連續波雷達,與脈沖頻雷達存在一定差別。


● 首先,它發射的信號為連續波,所需要的頻率源設計就容易很多,同時增加了波列長度;

● 其次,它不需要像脈沖頻雷達那樣共用發射和接收天線,不需要切換收發狀態,減小系統的開關過程,有效消除雷達探測的“霧區”;

● 另外,它還包含超寬頻段的雷達波發射,因此不需要發射機擁有很高的峰值功率,同時信號的平均發射能量大,使得雷達系統可以實現遠距離探測,又可在全深度范圍內具有較好的深度分辨率。

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SFCW雷達:頻域圖(左)和頻譜圖(右)


從圖1中SFCW雷達波信號的頻域圖可以看到:在步進頻率信號中,對于單個子脈沖來說,其產生的瞬時帶寬非常窄,而在多個窄帶的脈沖中間進行頻率調制就可以合成較大的工作帶寬,步進頻率信號就是利用此原理提高了雷達的距離分辨率。


同時,從SFCW雷達波的頻譜圖可以看到:雷達頻譜是離散的(即每一個中心頻率幅值非常高,其他雜散頻率的本底噪音幅值很弱),這就能有效抑制外界的干擾頻率,降低系統探測時的噪音干擾,提高系統的探測靈敏度。


SFCW探地雷達實測數據

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廣州某地探地雷達實測圖:SFCW (左)和雙頻脈沖(右)


圖2為廣州某地探地雷達實測圖。左圖為采用SFCW技術的GS8000探地雷達探測圖,右圖為市面上采用高、低雙頻脈沖天線的探地雷達探測圖。


從右圖中可以看到:特定頻率的天線,僅對特定深度有最佳成像效果,該圖中高頻脈沖天線(右上)可清晰看到燃氣管道,但對下方鋼筋網探測不夠清晰;低頻脈沖天線(右下)可同時探測到管道和鋼筋網,但鋼筋網信號較弱,且底部出現較重的相干噪音條紋。


從左圖中可以看到:SFCW步進寬頻,可以理解為從全寬帶范圍內有許多中心頻率的雷達波,每一個中心頻率都在其對應的深度有最佳成像效果,同時它在此深度處還可以抑制其他頻率在此處產生的相干噪音。因此,在全深度范圍內都可以實現高清晰度成像,同時看到較強信號的管道、鋼筋網、局部脫空以及很弱的相干噪音。

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廣州某地探地雷達實測圖-10超寬帶SFCW(左),寬帶SFCW(中),窄帶SFCW(右)


其中左圖為40-3,440MHz超寬帶SFCW天線采集,中圖為40-1,000MHz寬帶SFCW天線采集,右圖為220-740MHz窄帶SFCW天線采集。


從左圖可以看到:采用超寬帶SFCW天線進行淺層成像。目標脫空界面非常清晰、邊界收尾也較陡直。


從中圖可以看到:采用寬帶SFCW天線進行全深度成像。選擇默認的最寬的40-1,000MHz頻率范圍,可以發現目標脫空信號非常明顯,且有清晰邊界收尾,但是脫空下方出現第二次激振信號。


從右圖可以看到:采用窄帶SFCW天線進行全深度成像。將SFCW天線模擬單頻或者雙頻天線,將頻率范圍縮小至220-740MHz,可以看到目標脫空下方呈現出二次、三次、四次、五次激振。該圖像與傳統單頻或雙頻脈沖雷達圖像相似。


綜上所述:新型SFCW探地雷達采用頻率逐次遞進的窄帶脈沖頻合成超寬帶頻率連續雷達波,可以在全深度范圍內進行一次性高清晰度成像,同時保證優異的深度分辨率和信噪比。此外,鑒于其自帶多個離散性較好的單個子脈沖雷達波,它可以用來模擬傳統脈沖頻天線對地下結構進行有效探測。


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