CN1740820A - 发射扫描相控阵探地雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发射扫描相控阵探地雷达，它由雷达主机、发射天线阵、多通道发射机、接收天线阵、多通道接收机、前端综合控制器和便携式一体化工控计算机组成，发射天线阵和接收天线阵均以4×4方式形成16单元平面方阵，分别与16通道发射机和16通道接收机一一对应相连；每个发射和接收天线单元均采用低剖面的圆环扇形辐射线设计，形成宽带圆极化辐射和接收。本发明的优点是：由于采用了发射波束的相控扫描设计，在16单元发射相控阵工作时，有效的透地耦合电磁波能量比单天线发射提高了30多倍。它具有频带宽、穿透距离深、分辨率高、抗干扰能力强、目标检测和识别能力强等特点，能较好地满足物探工程快速无损检测的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种发射扫描相控阵探地雷达，属于雷达对地(下)观测技术领域，其作用是利用相控阵天线的近场辐射干涉特性和快速波束扫描特性，把各天线单元辐射的电磁波能量在地下干涉合成方向性很强的波束，并利用赋予各天线单元的“相位差”(通过延时电路实现)使合成波束快速扫描。接收时则利用阵列信号处理技术，将接收阵列的各通道信号进行幅度和相位补偿，使接收阵列具有与发射阵列指向相同的方向性。通过上述过程，实现对地下的快速扫描探测。
背景技术
现有的探地雷达大多设计为单天线发射、单天线接收的形式，也有少量的单天线发射、多天线接收的阵列探地雷达设计。两种采用单天线发射的探地雷达有几个共同的缺点：①对地辐射的电磁波基本上是全向的，对探测目标的激励弱，导致探测深度浅；②为了增加探测深度而降低频率时，不能很好解决探测深度与纵向分辨率的矛盾。③横向分辨能力差。④信息量较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能在地下形成方向性很强的发射波束，并使发射波束在地下快速扫描的发射扫描相控阵探地雷达。该相控阵探地雷达对地下辐射电磁波的能量利用效率高，对地穿透深；通过发射波束在地下的快速扫描，地下被探测目标可以实现不同方向的照射，有利于对地下目标的检测与识别；接收天线阵列形成指向及波束宽度与发射波束相同的接收波束，避免了接收波束之外的各种有源干扰和无源干扰。它具有对地穿透深、水平分辨率高、信息量大、抗干扰性能强等特点，能较好解决探地雷达穿透深度与纵向分辨率的矛盾，能较好地满足物探工程对快速无损检测的要求。
本发明的目的是由如下技术方案实现的，它由雷达主机(1)、发射天线阵(2)、多通道发射机(3)、接收天线阵(4)、多通道接收机(5)、前端综合控制器(6)和便携式一体化工控计算机(7)组成，RS232控制线(8)两端分别连接便携式一体化工控计算机(7)和前端综合控制器(6)，雷达回波电缆(9)两端分别连接雷达主机(1)和前端综合控制器(6)，前端综合控制器(6)通过电缆分别与多通道发射机(3)和多通道接收机(5)相连，多通道发射机(3)与发射天线阵(2)对应相连，多通道接收机(5)与接收天线阵(4)对应相连，便携式一体化工控计算机(7)与雷达主机(1)相连。其中由DSP构成的数据采集卡内置于工控计算机(7)内实现16通道的数据采集、预处理等。
发射硬件系统主要由发射天线阵(2)及相应的多通道发射机(3)组成，发射天线阵(2)以4×4方式形成16单元平面方阵，多通道发射机(3)为16通道，各通道发射机(31)与各发射天线单元(21)一一对应相连。各通道发射机(31)主要由双雪崩晶体管并联形成。
接收硬件系统由接收天线阵(4)及相应的多通道接收机(5)组成，接收天线阵(4)以4×4方式形成16单元平面方阵，多通道接收机(5)为16通道，各通道接收机(51)与各接收天线单元(41)一一对应相连。各通道接收机(51)主要由四管桥式平衡门形成。
每个发射天线单元(21)和接收天线单元(41)均采用低剖面的圆环扇形辐射线设计，形成宽带圆极化辐射和接收。
各通道发射机(31)在前端综合控制器(6)的控制下，按设定的时延组合模式触发，在地下形成波束扫描。
由计算机、TMS320C31、TMS320F206和TMS320F240构成主从控制系统。计算机通过界面实现对系统的控制，同时完成数据的存储与流场显示；由TMS320C31作为处理器的数据采集卡完成A/D转换，记录道整理以及通过串口对雷达主机进行控制；TMS320F206作为雷达主机的控制器，接收上位机的命令实现对雷达接收信号的非线性放大、滤波等工作状态的设置。TMS320F240为前端控制器的核心，完成发射波束扫描的控制和接收信号等效取样的控制。
整个硬件系统分为前端和后端两部分，后端通过RS232(8)接口对前端进行状态控制，前端将雷达回波信号通过电缆(9)送至雷达主机(1)。工作过程中，前端移动，后端位置相对固定。
每个发射天线单元(21)都由各自的发射机馈入。为了得到所需要的脉冲宽度和幅度，采取了双雪崩晶体管并联，在匹配负载上获得上升时间和幅度大小均符合要求的快脉冲，用阶跃恢复二极管改善雪崩脉冲后沿，最终获得所需要的发射窄脉冲。脉冲源电路采用外触发方式。
每个接收天线单元(41)各接一个通道的接收机。取样接收机采取四管桥式平衡门电路设计。平衡门电路比非平衡门电路的取样泄漏和旁通效应都要小；也减小了取样门开启后取样脉冲及内部混杂噪声对取样输出的影响。四管桥式平衡门电路与双管平衡门电路相比，对后级的隔离度要高，减小了旁通效应；此外，四管桥式门的每一臂均由两只二极管串联组成，使总的结电容较小，改善了门电路的频率特性和过渡特性。
为实现发射电磁波束在地下的扫描，由扫描控制电路控制各路脉冲源按需要的时延量触发。
为降低系统间的相互干扰，采取了如下的抗干扰措施：①数字电路和模拟电路间的控制信号通过光电耦合器进行隔离；②不同功能模块电路之间尽量采用分离供电；③各个功能模块电路之间采取屏蔽措施，降低辐射干扰。
发射天线阵(2)和接收天线阵(4)均采取贴地耦合方式工作。
本发明所提供的发射扫描相控阵探地雷达设备，在地下探测近场区能够形成方向性强的发射波束，并按需要的方式进行不同角度方向的发射波束扫描。本发明所做的实验室原理实验和外场探测实验均验证了地下近场窄波束的有效形成和扫描，此能力是现有探地雷达所不具备的。本发明所提供的具有发射波束相控扫描能力的探地雷达，是真正意义上的相控阵探地雷达。
通过查新检索表明，在国内外未见相控阵探地雷达的文献报道。因此，本发明研制的发射扫描相控阵探地雷达是一种全新的地球物理工程勘查设备，将在考古、城市地下管网探测、机场和高速公路检测、隧道超前探测等方面具有广阔的应用前景。
本发明的优点是：由于采用了发射波束的相控扫描设计，在16单元发射相控阵工作时，有效的透地耦合电磁波能量比单天线发射提高了30多倍；通过发射波束的扫描，可从不同角度方向上照射地下被探测目标。由于采用了分布式的多通道阵列接收设计(16接收单元)，能够形成强方向性的接收波束及接收波束扫描；由于采用了圆环扇形辐射线的行波天线设计，天线具有很宽的频带范围，使发射信号和接收信号能较好保形。采用以上设计的发射扫描相控阵探地雷达，具有频带宽、穿透距离深、分辨率高、抗干扰能力强、目标检测和识别能力强等特点，能较好地满足物探工程快速无损检测的要求。
附图说明
图1为发射扫描相控阵探地雷达立体组合结构示意图
图2为发射扫描相控阵探地雷达发射天线阵内部结构示意图
图3为发射扫描相控阵探地雷达接收天线阵内部结构示意图
图4为圆环扇形辐射线天线单元俯平面结构示意图
图5为圆环扇形辐射线天线单元正侧面结构示意图
具体实施方式
本实施例所述的发射扫描相控阵探地雷达，它由雷达主机(1)、发射天线阵(2)、多通道发射机(3)、接收天线阵(4)、多通道接收机(5)、前端综合控制器(6)和便携式一体化工控计算机(7)组成，RS232控制线(8)两端分别连接便携式一体化工控计算机(7)和前端综合控制器(6)，雷达回波电缆(9)两端分别连接雷达主机(1)和前端综合控制器(6)，前端综合控制器(6)通过电缆分别与多通道发射机(3)和多通道接收机(5)相连，多通道发射机(3)与发射天线阵(2)对应相连，多通道接收机(5)与接收天线阵(4)对应相连，便携式一体化工控计算机(7)与雷达主机(1)相连。其中由DSP构成的数据采集卡内置于工控计算机(7)内实现16通道的数据采集、预处理等。
发射硬件系统主要由发射天线阵(2)及相应的多通道发射机(3)组成，发射天线阵(2)以4×4方式形成16单元平面方阵，多通道发射机(3)为16通道，各通道发射机(31)与各发射天线单元(21)一一对应相连。各通道发射机(31)主要由双雪崩晶体管并联形成。
接收硬件系统由接收天线阵(4)及相应的多通道接收机(5)组成，接收天线阵(4)以4×4方式形成16单元平面方阵，多通道接收机(5)为16通道，各通道接收机(51)与各接收天线单元(41)一一对应相连。各通道接收机(51)主要由四管桥式平衡门形成。
每个发射天线单元(21)和接收天线单元(41)均采用低剖面的圆环扇形辐射线设计，形成宽带圆极化辐射和接收。
各通道发射机(31)在前端综合控制器(6)的控制下，按设定的时延组合模式触发，形成发射电磁波束在地下的扫描。
由计算机、TMS320C31、TMS320F206和TMS320F240构成主从控制系统。计算机通过界面实现对系统的控制，同时完成数据的存储与流场显示；由TMS320C31作为处理器的数据采集卡完成A/D转换，记录道整理以及通过串口对雷达主机进行控制；TMS320F206作为雷达主机的控制器，接收上位机的命令实现对雷达接收信号的非线性放大、滤波等工作状态的设置。TMS320F240为前端控制器的核心，完成发射波束扫描的控制和接收信号等效取样的控制。
整个硬件系统分为前端和后端两部分，后端通过RS232(8)接口对前端进行状态控制，前端将雷达回波信号通过电缆(9)送至雷达主机(1)。工作过程中，前端移动，后端位置相对固定。
使用原理如下：
各发射通道的脉冲源在延时控制电路的控制下，按要求的延时量分别触发，经发射天线向地下辐射电磁波。在所要求的空间方向上(该方向与一定的延时组合要求相对应)，使原来具有相对延时的各单元辐射电磁波，在近场范围内同时到达，因同相而干涉增强，形成该方向上的近场窄波束。预先设置多个不同的空间方向(相应于多个不同延时设置)，重复上述过程而实现发射电磁波束的扫描。
接收阵各通道在电路上无相对延时，采用软件方式对各天线单元的接收回波进行相对延时，实现相应的相位补偿而形成接收窄波束及其扫描。
Claims (7)
1、一种发射扫描相控阵探地雷达，其特征在于由雷达主机(1)、发射天线阵(2)、多通道发射机(3)、接收天线阵(4)、多通道接收机(5)、前端综合控制器(6)和便携式一体化工控计算机(7)组成，RS232控制线(8)两端分别连接便携式一体化工控计算机(7)和前端综合控制器(6)，雷达回波电缆(9)两端分别连接雷达主机(1)和前端综合控制器(6)，前端综合控制器(6)通过电缆分别与多通道发射机(3)和多通道接收机(5)相连，多通道发射机(3)与发射天线阵(2)对应相连，多通道接收机(5)与接收天线阵(4)对应相连，便携式一体化工控计算机(7)与雷达主机(1)相连。
2、如权利要求1所述的发射扫描相控阵探地雷达，其特征在于发射硬件系统主要由发射天线阵(2)及相应的多通道发射机(3)组成，发射天线阵(2)以4×4方式形成16单元平面方阵，多通道发射机(3)为16通道，各通道发射机(31)与各发射天线单元(21)一一对应相连。
3、如权利要求2所述的发射扫描相控阵探地雷达，其特征在于各通道发射机(31)主要由双雪崩晶体管并联形成。
4、如权利要求1所述的发射扫描相控阵探地雷达，其特征在于接收硬件系统由接收天线阵(4)及相应的多通道接收机(5)组成，接收天线阵(4)以4×4方式形成16单元平面方阵，多通道接收机(5)为16通道，各通道接收机(51)与各接收天线单元(41)一一对应相连。
5、如权利要求4所述的发射扫描相控阵探地雷达，其特征在于各通道接收机(51)主要由四管桥式平衡门形成。
6、如权利要求2和4所述的发射扫描相控阵探地雷达，其特征在于每个发射天线单元(21)和接收天线单元(41)均采用低剖面的圆环扇形辐射线设计，形成宽带圆极化辐射和接收。
7、如权利要求1所述的发射扫描相控阵探地雷达，其特征在于在前端综合控制器(6)的控制下，各通道发射机(31)按设定的时延组合模式触发，在地下形成波束扫描。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20070411 |