MIRA三维探地雷达系统技术概述

前言

MIRA系统由几个必需的子系统构成。该概述文件将对各部分作出详细介绍。需要指出的是该系统包含了新的技术。

用户的应用领域非常广泛，我们无法把该产品定位为某一种或几种应用领域。因此下面的产品描述集中在标准设计的产品，如果用户希望应用MIRA系统到特殊的领域，请不要受该概述文件的束缚，我们会制造出适合您的产品。用户提出的特殊要求，数据采集方案，天线频率，定位系统，通讯界面等，我们都可以为用户进行量身订制。我们会根据您的特殊要求提出适合您的方案。

 三维阵列雷达—概念的澄清

市场上几乎所有的多道天线应用都用到“阵列雷达”这个术语，它实际上是一种误导。有必要弄清真正进行三维雷达采集的系统和仅仅进行多道数据采集的雷达系统的区别。MALA公司建议从下面的几个方面进行区分。

MALA公司建议真正的三维阵列雷达系统应该满足以下四个条件：

1、在采集时三维雷达的剖面间距应该小于天线中心波长的1/4

该条件是非常必要的，只有满足这个条件才能避开图像的空间假象，即由于采样不足失掉地下信息。对三维雷达数据采集来说，避免空间采样不足是必需的。而用传统雷达时，该条件几乎从没有满足过。也许有人会争辩说由于探测的物体在某一个方向尺寸足够大（如管线），该条件可以放宽，剖面间距0.5米~1米已经足够了。不过，即使在这种条件下，如果剖面间距超过该条件，三维数据解释时数据质量也会严重下降。对非线性目标体来说，该条件尤为重要，如果数据采样不足，解释起来会非常困难。假设要探测的介质的介电常数为9（介质速度近似为100m/us），建议对频率为200兆，400兆和1300兆的天线来说，其剖面间距为12.5，6.3和2cm。这些数据解释了为什么以前的雷达无法进行真正的三维数据的原因。用传统的雷达是不可能用6.3厘米的剖面间距进行几千平方米场地的数据采集的。

2、在阵列式天线中，任何发射和接收天线的组合都是可能的，即任何发射天线辐射的信号都能被任何接收天线接收

该条件有效地减少了剖面间距，它让阵列天线中的任何一个接收天线都至少能接收到两个发射天线发射的信号。实际上由于天线的物理空间的限制，该条件尤为重要。另外由于条件1的实际空间需求，该条件在每一个采集点都能得到多个偏移距的采集数据（即收发天线位置改变）。

 3、三维阵列中的所有天线，都必须产生“近似完全相同”的信号

为了产生高质量的图像，必须让每一道接收机从同一个反射目标体得到的信息是相同的。如果该条件不能完全满足，图像中就会产生伪图像和其它假象。有人会辩解说该假信号会处理掉，但是很多时候这种假信号是无法同处理手段去除的。在理想状态下，从每一个接收机得到的信号都有相同的频谱，不管它接收的信号来自哪一个天线。这意味着当是同同样的天线方向图时，所有的天线都产生同样的中心频率。因此，因此需要非常仔细地调整天线并仔细控制阵列天线。

4、天线阵列系统必须有一个定位装置，其必须满足在整个探测区域内至少小于剖面间距的1/2

常规的三维雷达数据处理和成图是把整个探测区域分成很多小区域。在处理和解释前，每个小的区域都“满足”数据是从该空间中的某一个指定点这一条件。该小区域常被认作是小立方体，为了让数据位置准确，它的尺寸常被选择为接近使用的剖面间距，因此位置必须小于剖面间距的1/2。准确定位是非常关键的，没有准确定位的数据是毫无意义的。

上述四条是满足三维阵列天线的必要条件，并能澄清多数假三维雷达的错误认识。当评估三维阵列雷达系统时，研究其系统描述，看其是否满足上述条件。包含不同中心频率及极化方向的真正三维雷达是不存在的。同样，一个波长以上的剖面间距产生的阵列雷达是有严重问题的，图像质量和结果解释都是不可靠的。

控制单元—阵列天线模块

用于MIRA系统中的主机是ProEx控制单元和阵列天线模块，它不需要单独的主机。这一部分是MIRA系统的部分，它根据选定的采集方式对各个天线产生控制信号，并管理输入的数据。由于它采用新颖的技术的控制信号发生器和多个独立的计算机芯片的数据管理系统，因此数据质量。一个16道的常规MIRA系统包含了10个特殊设计的计算机芯片（它们并行采集数据），缓存器和传输部分。

阵列天线模块，可扩展成多达16个接收天线和16个发射天线。对每一个采样点，主机可以控制任意天线发射和接收。

图1：ProEx主机和阵列天线模块

上图1显示的是MIRA系统的主机部分。主机与天线用同轴电缆相连，用来传输控制信号和数据。它从ProEx主机供电，12V@3A，并通过网线连接到采集用的笔记本电脑上。

常用的数据采集方式见下图，为了得到尽可能小的剖面间距，每一接收天线都与两个发射天线同步。

    图2：常用道数配置，为了得到小剖面间距，每一个接收机都与两个发射机同步

采集软件会自动控制数据采集顺序。

如果我们用200kHz的脉冲重复频率，道间距为8厘米，样点数为350，则该系统的采集速度可达69km/h,它完满足探测需求。

天线

MIRA系统只采用分离的屏蔽天线，发射天线（T）有一根电源线和一个触发线，而接收天线（R）有一个电源线，一个触发线和一个数据线。MIRA分离天线设计成每一个天线接收的信号都相同，阵列天线中的每一个数据通道都分别测试。接收天线和发射天线都有指示灯来显示它是否工作正常。目前投产的天线有200兆，400兆和1300兆。下图3为400兆和1300兆天线。

天线内部包括脉冲发生器，采样电路和信号输入电路，并将信号转换成16位的数字信号。数字信号传输到阵列天线模块中，放入缓存器中，随后传输到计算机的硬盘中进行存储和显示。

多个分离的屏蔽发射天线和接收天线装在一个天线箱内，以方便野外探测。200兆和400兆天线箱内包括控制单元。

定位系统

任何MIRA系统的使用都需要准确定位系统，以便准确确定各剖面的位置。我们可以选择全站仪或GPS。一个棱镜或GPS天线装在阵列天线箱上，位置数据从基站或全站仪无线传输到采集用的笔记本电脑中。

上图是定位系统示意图，用该系统，汽车上的操作者能够控制/监视雷达系统和定位系统。

探测时，每一个探测剖面都能控制，为了完全覆盖整个探测区域，每次都应该覆盖一点上次的探测区域。覆盖过多时软件会自动控制及处理。常规软件在处理没有覆盖到的区域时会产生认为假像，尽管我们的软件会解决这一问题，但要想得到好的数据质量，仔细控制采集过程。

全站仪和GPS各有其优缺点，我们不在这里做详细论述。不过要注意只要起点和终点定位好，中间过程如果出现暂时的丧失定位追踪，数据依然可以使用。

拖车系统

MIRA系统的应用范围是大面积的雷达探测，因此对几千平方米以上的探测区域来说，用手推会比较累。建议选择合适的车辆。

下图所示的除草车非常适用于MIRA系统，

选择车辆时，要满足以下条件：

快速方便地连接天线箱

供电，一般电瓶要换成大电流的，要有电缆、保险丝和开关

能固定定位系统和电脑

用户可以从MALA公司购买除草车，也可以自己选择合适的车辆。

数据采集

在进行雷达数据采集之前，要做探测方案和计划。建议如果可能的话，沿直线采集数据。MIRA系统并不要求一定按直线采集数据，不过如果条件允许，这样做，这样可以更好的控制覆盖范围。

对整个探测区域进行定位控制是必须的，如果使用全站仪，要有从全站仪到阵列天线的可视直线。在雷达采集数据前，当对参考点成图时（建筑物、人造孔、路面等），计划好有多少不同的全站仪位置。

为了控制实际的数据采集，要用测距轮来设定高的道间距（测点间的距离）。测距轮固定在车辆上，直接与ProEx主机相连。测距轮控制沿测线方向的数据采集，而定位系统记录位置信息。当选择测点间的距离时，建议至少为天线内剖面间距的距离。

在MIRA采集软件中指定阵列天线采集的道间距，操作者要注意输入的雷达数据和位置信息。下图7中，由棱镜/GPS记录的采集路径用彩色线显示，白线代表两次采集路径间没有覆盖的区域。操作者应尽量减少未覆盖的区域，尽管这些区域对数据解释不会造成很大影响 ;mso-hansi-font-family: SimSun;mso-bidi-font-family:SimSun;color:black;mso-font-kerning:0pt'>数据采集

在进行雷达数据采集之前，要做探测方案和计划。建议如果可能的话，沿直线采集数据。MIRA系统并不要求一定按直线采集数据，不过如果条件允许，这样做，这样可以更好的控制覆盖范围。

对整个探测区域进行定位控制是必须的，如果使用全站仪，要有从全站仪到阵列天线的可视直线。在雷达采集数据前，当对参考点成图时（建筑物、人造孔、路面等），计划好有多少不同的全站仪位置。

采集和处理软件

MIRA系统用两个软件来得到终的三维结果，MIRAsoft用来进行数据采集，rSlicer用于数据处理和解释。目前的软件是在Windows2000/XP下运行的。

采集软件直接控制数据采集过程，包括从位置系统中得到的数据，并对采集的数据实时进行检查。阵列天线的采集参数设置多数情况下按默认值就可以了，它的界面简洁易用。在采集时做数据质量检查是很有必要的，它包括单道数据监控和位置偏差分析。

RSlicer软件用来对MALA雷达采集的三维雷达数据进行处理和解释，它包括数据处理，解释和雷达数据的三维偏移，随后进行交互式结果解释。结果可以直接打印，也可以以TIFF格式或DXF格式进行保存。迄今为止，rSlicer是的无缝进行数据输入和处理解释的软件。这意味着，我们不需要做繁琐的数据输入工作。

RSlicer是现代的、基于项目管理的软件，它雷达数据处理所需的常规处理功能，也有特定的三维雷达数据所需的处理和解释功能。这些特定的三维功能有：

n 地形编辑

n 坐标系统变换

n 立体化和插入

n 三维偏移

n 特性编辑

n 带状盒能够分析各部分细节

附件

该系统的主要部分已经在上面做了说明，为了进行有效探测，减少麻烦，下列工具是必要的：

- 做记号的工具（油漆，粉笔等）用于在地面上画出探测路径，为了让操作者确保对探测区域进行完全覆盖，它是很有用的。有效的工具是带遥控的喷桶，把它固定在天线上。

- 控制数据采集的测距轮。一般把它固定的汽车的某个轮子上。

- 供电，用汽车上的电瓶是很方便的。

技术指标

主机及阵列天线模块

尺寸：222×160×285 （mm）

重量：5.5kg

供电：3A@12V, 10~12V，可由汽车电瓶供电

脉冲重复频率：100kHz 和200kHz

时间窗：130ns, 小

数据输入：16位

道数：31道，多装16和接收天线和16个发射天线

样点数：可达1024

通讯：点对点以太网，100Mbit/s

定位输入：与所有MALA测距轮兼容

环境标准：IP65

1.3GHz天线

尺寸：90×114×85 （mm）(长×宽×高)

重量：1.5kg

供电：0.9A@12V1.2A/对

中心频率：1.3GHz

带宽：>100%

电缆长度（同轴）:        >10m

电缆接头：BNC

AD转换：16位

制造标准：EN３０２０６６－１

环境标准：ＩＰ６５

４００ＭＨｚ天线

尺寸：２３０×１６５×１６０（mm）(长×宽×高)

重量：２.１kg

供电：0.9A@12V1.2A/对

中心频率：４００ＭＨｚ

带宽：>100%

电缆长度（同轴）:        >10m

电缆接头：BNC

AD转换：16位

制造标准：EN３０２０６６－１

环境标准：ＩＰ６５

２００兆天线

尺寸：４５５×２５５×２５（mm）(长×宽×高)

重量：４．２kg

供电：0.9A@12V1.2A/对

中心频率：２００ＭＨｚ

带宽：>100%

电缆长度（同轴）:        >10m

电缆接头：BNC

AD转换：16位

制造标准：EN３０２０６６－１

环境标准：ＩＰ６５