CN109683159A - 一种车载断面扫描超宽带雷达及定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载断面扫描超宽带雷达，该雷达包括：发射阵列天线，所述发射阵列天线包括N个阵列单元，所述阵列单元为宽波束天线，所述阵列单元呈一维线阵，所述阵列单元的馈电口通过连接电缆与总馈电口连接，所述发射阵列天线设置在车体外部；接收阵列天线，所述接收阵列天线与所述发射阵列天线平行设置，所述接收阵列天线设置在车体外部；超宽带脉冲源，所述超宽带脉冲源与所述总馈电口连接，用来提供窄脉冲发射信号；以及接收机，所述接收机与所述接收阵列天线连接。本发明的有益效果为提供了一种扫描断面内反射物体的定向方法，满足路面、隧道等无损检测对高效率测量的要求。

Description

一种车载断面扫描超宽带雷达及定向方法

技术领域

本发明属于微波雷达领域，具体涉及一种车载断面扫描超宽带雷达。

背景技术

超宽带雷达是指一种工作电磁波相对带宽超过25％或绝对带宽超过500MHz的雷达。当工作频率处于米波等相对较低频段时，超宽带雷达同时具有较好的分辨率和穿透性，超宽带雷达被广泛应用隧道无损检测、地下目标探测以及穿墙探测等领域。

由于同等增益要求下低频段超宽带雷达天线尺寸较大，一般超宽带透视雷达天线的波束较宽，增益较低。为提高测量性能，现有车载超宽带雷达多采用天线抵近甚至紧贴被测物体表面的方式工作，有效测量范围较小，测量效率相对较低。如目前地下目标或路面质量检测雷达多采用天线拖车形式，测量天线与地面较近，单次测量覆盖的地面区域有限，且单通道测量情况下在垂直行车方向不具备分辨力；隧道无损检测雷达主要采用天线接触衬砌表面的检测方式，行车速度较慢，仅能选择有限数量的测线进行测量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种车载断面扫描超宽带雷达，本发明能够利用具有较高增益扇形波束及聚焦功能的超宽带阵列天线、高稳定度的窄脉冲源以及具有高采集速度的接收机，结合车体运动，组成一种车载断面扫描超宽带雷达，实现了较远距离下物体断面的扫描测量；同时，基于超宽带雷达回波在时域或频域的差异特征提供了一种扫描断面内反射物体的定向方法，满足路面、隧道等无损检测对高效率测量的要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种车载断面扫描超宽带雷达，该雷达包括：

发射阵列天线，所述发射阵列天线包括N个阵列单元，所述阵列单元为宽波束天线，所述阵列单元呈一维线阵，所述阵列单元的馈电口通过连接电缆与总馈电口连接，所述发射阵列天线设置在车体外部；

接收阵列天线，所述接收阵列天线与所述发射阵列天线平行设置，所述接收阵列天线设置在车体外部；

超宽带脉冲源，所述超宽带脉冲源与所述总馈电口连接，用来提供窄脉冲发射信号；以及

接收机，所述接收机与所述接收阵列天线连接；

其中，

N为大于等于2的整数；

所述阵列单元安装于天线安装板的一条直线上，将该直线设为一坐标系的X轴，将所述雷达的探测方向在垂直于X轴面内的投影与Y轴夹角记为方位角，将阵列单元在X轴方向的坐标位置记为x_i，i＝1，2，…，N，发射阵列天线在垂直于X轴方向的天线波束宽度大于90度；

所述阵列单元在被测物体的预定位置处的天线增益达到最大，所述连接电缆长度分别记为L_i，i＝1，2，…，N，将各阵列单元发射的聚焦电磁波射线与X轴夹角记为α_i，所有阵列单元的聚焦点位于被测物体内部深度d处，若已知第1个阵列单元的馈电口至被测物体表面的垂直距离为H、第1个阵列单元的聚焦电磁波射线与X轴的夹角为α₁、与第1个阵列单元的连接电缆长度为L₁，则第i个阵列单元的连接电缆长度满足以下关系式，

L_i＝L₁+(R₁-R_i)/γ

其中β为被测物体表面与X轴夹角；ε为被测物体平均的相对介电常数；γ为连接电缆的时延系数，取电磁波在电缆中传播延时与相同长度空气中传播延时的比值；α_i、θ_i及阵列单元位置x_i由以下关系式确定，

所述窄脉冲发射信号的幅度抖动小于1％。

所述接收机的采集速度达1万波形/秒以上。

所述接收机的平均底噪在0.2mV以下。

所述阵列单元采用小型超宽带天线。

所述发射阵列天线安装在车体的顶部、尾部或者侧面。

天线波束宽度，一般默认指增益下降3dB时的角度宽度。

一种车载断面扫描超宽带雷达定向方法，包括如下步骤：

步骤1，选用细长的金属圆杆作为反射体，保持金属圆杆的轴线与X轴平行，改变金属圆杆与雷达天线的相对方向，分别测量各相对方向下的金属圆杆的反射回波；将反射回波的最大值所在峰过零点的时间宽度记为回波底宽，作为时域差异特征；在反射回波频谱高低频成分中各选择随相对方向变化最大的一个频率点，记为f_u和f_d，计算两频率点下对应频谱分量的比值作为频域差异特征，记为P(f_u)/P(fd)；将时域差异特征、频域差异特征均与相对方向的角度关联，即获取这些差异特征与相对方向角度的关联曲线；

步骤2，采用所述雷达对待测断面进行单次测量，获取单个扫描断面内的反射回波；

步骤3，根据反射回波包络凹点将反射回波分成若干分段，并假定每一分段仅对应一个反射物体；

步骤4，分别计算各分段回波的时域差异特征或频域差异特征，利用步骤1中获取的关联曲线，通过反查关联曲线即可获取反射物体相对雷达所在的方向角度。

所述步骤1的测量环境要求空旷或处于微波暗室内。

本发明给出的定向方法不适用于多反射体处于同一回波分段的情况与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.采用具有扇形波束、聚焦探测及超宽带特点的阵列天线、高稳定度的窄脉冲源、高采集速度的接收机以及车载运动方式，本发明雷达具备有较远距离或深度下的断面扫描测量功能，与现有路面、隧道无损检测雷达相比，具有更快的测量便捷性及测量速度；

2.采用本发明提出的基于超宽带雷达回波差异特征的定向方法，本发明雷达具有单通道测量实现反射物体定向的功能，结合回波脉冲时延、断面扫描可实现反射物体的三维定位，满足更宽范围内路面、隧道质量等无损检测的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为车载断面扫描超宽带雷达组成示意图。

图2为发射或接收阵列天线扇形波束示意图。

图3为发射或接收阵列天线聚焦探测示意图。

图4为实施例二中雷达测量的隧道顶部反射回波结果。

图5为实施例二中雷达测量的公共汽车反射回波结果。

图6为实施例三中阵列天线布置示意图。

图7为实施例三中不同方向下金属圆杆回波的回波底宽。

图8为实施例三中不同方向下金属圆杆回波的归一化频谱分布。

图9为实施例三中金属圆杆回波差异特征与其所在方位角的关联曲线。

图10为实施例三中雷达测量的隧道侧面及顶部反射回波结果。

图11为实施例三中采用回波底宽差异特征定向给出的隧道反射点位置分布。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1-11所示，本实施例提供一种车载断面扫描超宽带雷达，该雷达包括：

发射阵列天线1，所述发射阵列天线1包括N个阵列单元11，所述阵列单元11为宽波束天线，所述阵列单元11呈一维线阵，所述阵列单元11的馈电口通过连接电缆与总馈电口连接，所述发射阵列天线1设置在车体外部；

接收阵列天线2，所述接收阵列天线2与所述发射阵列天线1平行设置，所述接收阵列天线2设置在车体外部；

超宽带脉冲源3，所述超宽带脉冲源3与所述总馈电口连接，用来提供窄脉冲发射信号；以及

接收机4，所述接收机4与所述接收阵列天线2连接；

其中，

N为大于等于2的整数；

所述阵列单元11安装于天线安装板5的一条直线上，将该直线设为一坐标系的X轴，将所述雷达的探测方向在垂直于X轴面内的投影与Y轴夹角记为方位角δ，将阵列单元11在X轴方向的坐标位置记为x_i，i＝1，2，…，N，发射阵列天线1在垂直于X轴方向的天线增益达到3dB以上的波束宽度大于90度；

所述阵列单元11在被测物体的预定位置处的天线增益达到最大，所述连接电缆长度分别记为L_i，i＝1，2，…，N，将各阵列单元11发射的聚焦电磁波射线与X轴夹角记为α_i，所有阵列单元11的聚焦点位于被测物体内部深度d处，若已知第1阵列单元11的馈电口至被测物体表面的垂直距离为H、第1阵列单元11的聚焦电磁波射线与X轴的夹角为α₁、与第1个阵列单元的连接电缆长度为L₁，则第i个阵列单元的连接电缆长度满足以下关系式，

L_i＝L₁+(R₁-R_i)/γ

其中β为被测物体表面9与X轴夹角；ε为被测物体平均的相对介电常数；γ为连接电缆的时延系数，取电磁波在电缆中传播延时与相同长度空气中传播延时的比值；α_i、θ_i及阵列单元11位置x_i由以下关系式确定，

作为优选，本实施例所述窄脉冲发射信号的幅度抖动小于1％。

作为进一步优选，本实施例所述接收机4的采集速度达1万波形/秒以上。

作为进一步优选，本实施例所述接收机4的平均底噪在0.2mV以下。

作为进一步优选，本实施例所述阵列单元11采用小型超宽带天线。

作为进一步优选，本实施例所述发射阵列天线1安装在车体的顶部、尾部或者侧面。

一种车载断面扫描超宽带雷达定向方法，包括如下步骤：

步骤1，选用细长的金属圆杆作为反射体，保持金属圆杆的轴线与X轴平行，改变金属圆杆与雷达天线的相对方向，分别测量各相对方向下的金属圆杆的反射回波；将反射回波的最大值所在峰过零点的时间宽度记为回波底宽8，作为时域差异特征；在反射回波频谱高低频成分中各选择随相对方向变化最大的一个频率点，记为f_u和f_d，计算两频率点下对应频谱分量的比值作为频域差异特征，记为P(f_u)/P(f_d)；将比值、回波底宽均与相对方向的角度关联，即获取差异特征与相对方向角度的关联曲线；

步骤2，采用所述雷达对待测断面进行单次测量，获取单个扫描断面内的反射回波；

步骤3，根据反射回波包络凹点将反射回波分成若干分段，并假定每一分段仅对应一个反射物体；

步骤4，分别计算各分段回波的回波底宽和P(f_u)/P(f_d)，利用步骤1中获取的关联曲线，通过反查关联曲线即可获取反射物体相对雷达所在的方向角度。

作为优选，本实施例所述步骤1的测量环境要求空旷或处于微波暗室内。

实施例二

如图1～图5所示，该实施例中发射和接收阵列天线单元数为4个，各单元所在直线与车体行进方向垂直，并与被测量的隧道表面平行，即β＝0°，两者距离H＝3m，各单元间距均取为0.2m，各单元连接电缆长度L₁＝L₄＝32cm，L₂＝L₃＝32.9cm，阵列天线聚焦点位于被测隧道表面。发射与接收阵列天线间距为0.36m。

该实施例中发射与接收阵列天线波束均呈扇形，波束中心指向车体前上方45度，在沿车体行进方向的天线波束宽度为100度，覆盖车体正上方和正前方；垂直于车体行进方向的天线波束宽度为30度。当汽车行进时，该实施例雷达在隧道顶部形成测线。发射脉冲宽度小于1ns，接收机采集速度为1.5万波形/秒，回波采集后对每256个波形进行了平均处理。

图4为该实施例雷达进入某公路隧道时测量的隧道顶部反射回波，其中约3m距离处对应隧道顶部的初始回波。需要说明的是，当该雷达用于隧道测量时，还可将发射与接收阵列天线沿车体行进方向滚动一定角度，从而对隧道不同部位形成测线。

图5为该实施例雷达测量的正前方公共汽车反射回波，有效测量距离达40m以上。

实施例三

如图6～图11所示，该实施例中发射和接收阵列天线单元数为8个，各单元所在直线与车体行进方向平行，如图6所示，各单元间距为0.2m，各单元连接电缆长度均取为70cm。发射和接收阵列天线间距为0.5m。

收发阵列天线波束呈扇形，波束中心指向为车体右上方，在沿车体行进方向的天线波束宽度为100度；垂直于车体行进方向的天线波束宽度为15度。

为获取雷达回波差异特征随反射体所在方位角的关联曲线，这里选择的金属圆杆长为1m，直径为3cm，测试距离为3m，金属圆杆和收发天线阵列均垂直于地面放置，且处于开阔区域，测量时绕垂直于地面的方向同时旋转收发天线阵列。图7给出了测量的不同旋转角度下金属圆杆回波波形，其回波底宽发生变化；图8给出了测量的不同旋转角度下金属圆杆回波的归一化频谱分布，其中391MHz和781MHz频率的频谱分量随定标体所在方位角发生较大变化。回波底宽及上述两点频谱比值随金属圆杆所在方位角的关联曲线如图9所示。

图10为该实施例雷达测量的某公路隧道侧面及顶部反射回波，测量时，车辆沿左侧车道行驶，其中约2m距离处对应隧道左侧面反射的贡献、约3m距离处对应隧道顶部的反射贡献、约6m距离处对应隧道右侧面的反射贡献。

图11为根据回波底宽差异特征反演获取的隧道左侧面及顶部主要反射点的位置分布，可明显区分隧道侧面及顶部的反射点。

尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (8)

1.一种车载断面扫描超宽带雷达，其特征在于，该雷达包括：

发射阵列天线(1)，所述发射阵列天线(1)包括N个阵列单元(11)，所述阵列单元(11)为宽波束天线，所述阵列单元(11)呈一维线阵，所述阵列单元(11)的馈电口通过连接电缆与总馈电口连接，所述发射阵列天线(1)设置在车体外部；

接收阵列天线(2)，所述接收阵列天线(2)与所述发射阵列天线(1)平行设置，所述接收阵列天线(2)设置在车体外部；

超宽带脉冲源(3)，所述超宽带脉冲源(3)与所述总馈电口连接，用来提供窄脉冲发射信号；以及

接收机(4)，所述接收机(4)与所述接收阵列天线(2)连接；

其中，

N为大于等于2的整数；

所述阵列单元(11)安装于天线安装板(5)的一条直线上，将该直线设为一坐标系的X轴，将所述雷达的探测方向在垂直于X轴面内的投影与Y轴夹角记为方位角，将阵列单元(11)在X轴方向的坐标位置记为x_i，i＝1，2，…，N，发射阵列天线(1)在垂直于X轴方向的天线波束宽度大于90度；

所述阵列单元(11)在被测物体的预定位置处的天线增益达到最大，所述连接电缆长度分别记为L_i，i＝1，2，…，N，将各阵列单元(11)发射的聚焦电磁波射线与X轴夹角记为α_i，所有阵列单元(11)的聚焦点位于被测物体内部深度d处，若已知第1个阵列单元(11)的馈电口至被测物体表面的垂直距离为H、第1个阵列单元(11)的聚焦电磁波射线与X轴的夹角为α₁、与第1个阵列单元的连接电缆长度为L₁，则第i个阵列单元的连接电缆长度满足以下关系式，

L_i＝L₁+(R₁-R_i)/γ

其中β为被测物体表面与X轴夹角；ε为被测物体平均的相对介电常数；γ为连接电缆的时延系数，取电磁波在电缆中传播延时与相同长度空气中传播延时的比值；α_i、θ_i及阵列单元(11)位置x_i由以下关系式确定，

2.根据权利要求1所述的车载断面扫描超宽带雷达，其特征在于，所述窄脉冲发射信号的幅度抖动小于1％。

3.根据权利要求1所述的车载断面扫描超宽带雷达，其特征在于，所述接收机(4)的采集速度达1万波形/秒以上。

4.根据权利要求1所述的车载断面扫描超宽带雷达，其特征在于，所述接收机(4)的平均底噪在0.2mV以下。

5.根据权利要求1所述的车载断面扫描超宽带雷达，其特征在于，所述阵列单元(11)采用小型超宽带天线。

6.根据权利要求1所述的车载断面扫描超宽带雷达，其特征在于，所述发射阵列天线(1)安装在车体的顶部、尾部或者侧面。

7.一种车载断面扫描超宽带雷达定向方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，选用细长的金属圆杆作为反射体，保持金属圆杆的轴线与X轴平行，改变金属圆杆与雷达天线的相对方向，分别测量各相对方向下的金属圆杆的反射回波；将反射回波的最大值所在峰过零点的时间宽度记为回波底宽，作为时域差异特征；在反射回波频谱高低频成分中各选择随相对方向变化最大的一个频率点，记为f_u和f_d，计算两频率点下对应频谱分量的比值作为频域差异特征，记为P(f_u)/P(f_d)；将时域差异特征、频域差异特征均与相对方向的角度关联，即获取这些差异特征与相对方向角度的关联曲线；

步骤2，采用所述雷达对待测断面进行单次测量，获取单个扫描断面内的反射回波；

步骤3，根据反射回波包络凹点将反射回波分成若干分段，并假定每一分段仅对应一个反射物体；

步骤4，分别计算各分段回波的时域差异特征或频域差异特征，利用步骤1中获取的关联曲线，通过反查关联曲线即可获取反射物体相对雷达所在的方向角度。

8.根据权利要求7所述的车载断面扫描超宽带雷达，其特征在于，所述步骤1的测量环境要求空旷或处于微波暗室内。