探地雷达技术发展展望

5 探地雷达技术发展展望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。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 思路, 从根本原理上解决问题。针对这一状况, 肖柏勋于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。值得指出的是, 目前市场 上已有类似产品出现, 如意大利IDS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、3 6七个方向。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。