单脉冲雷达原理以及应用

单脉冲定向原理

对目标的定向，即测定目标的方向，是雷达的主要任务之一。单脉冲定向是雷达定向的一个重要方法。所谓“单脉冲”，是指使用这种方法时，只需要一个目标回波脉冲，就可以给出目标角位置的全部信息。根据从回波信号中提取目标角信息的特点，可以将单脉冲定向分为两种基本的方法：振幅定向法和相位定向法，分别见于下图。除了上述两种方法外，由它们合成的振幅—相位定向法（或称为综合法）也得到了广泛的应用。

图2-1 单脉冲振幅定向法图2-2单脉冲相位定向法

2.1 振幅定向法

振幅定向法是用天线接收到的回波信号幅度值来进行角度测量的，该幅度值的变化规律取决于天线方向图以及天线的扫描方式。振幅定向法可以分为最大信号法和等信号法两大类，其中等信号法又可以分为比幅法和和差法。

如图所示，平面两波束相互部分交叠，其等强信号轴的方向已知，两波束中

也已知。假设目标回波信号来向与等强信号轴向的心轴与等强信号轴的偏角

夹角为θ，天线波束方向图函数为F(θ)，则两个子波束的方向图函数可分别写成

()()()???-=+=θθθθθθ02

01)(F F F F （2-1）

两波束接收到的目标回波信号可以表示成：

()()()()()()???-==+==θθθθθθθθ022

011F K F K u F K F K u a a a a （2-2）

其中a K 为回波信号的幅度系数。

对于比幅法，直接计算两回波信号的幅度比值有：

()()()()

θθθθθθ-+=0021F F u u （2-3）

根据上式比值的大小可以判断目标回波信号偏角θ的方向，再通过查表就可以估计出θ的大小。

对于和差法，由()θ1u 和()θ2u 可计算得到其和值()θ∑u 及差值()θ?u 分别如下:

()()()()()()()()()()()()???--+=-=-++=+=?

∑θθθθθθθθθθθθθθ00210021F F K u u u F F K u u u a a （2-4）

其中()()()θθθθθ-++=∑00)(F F F 称为和波束方向图；

()()()θθθθθ--+=?00)(F F F 称为差波束方向图。

若θ很小（在等强信号轴附近），根据泰勒公式可以将

()θθ+0F 和()θθ-0F 展开近似为：

6、多普勒天气雷达原理与应用

第六部分多普勒天气雷达原理与应用（周长青） 我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品 第一章我国新一代天气雷达原理 一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）。 二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。 三、了解雷达气象方程 在瑞利散射条件下，雷达气象方程为： 其中Pr表示雷达接收功率，Z为雷达反射率，r为目标物距雷达的距离。Pt表示雷达发射功率，h为雷达照射深度，G为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，K表示与复折射指数有关的系数，C为常数，之决定于雷达参数和降水相态。 四、了解距离折叠 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c为光速，PRF为脉冲重复频率。 距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们称之为‘距离折叠’。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）： 即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。 意义：一般Z值与雨强I有以下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性 由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模

地质雷达 原理

地质雷达是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程质量检测、场地勘察中被广泛采用，近年来也被用于隧道超前地质预报工作。地质雷达能发现掌子面前方地层的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。在深埋隧道和富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达是一个很好的预报手段。 1、基本原理 探地雷达是一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术，基于地下介质的电性差异，探地雷达通过一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收地下介质反射的电磁波，并对接收到的信号进行处理、分析、解译。其详细工作过程是：由置于地面的天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性（主要是相对介电常数）界面时，电磁波一部分发生折射透过界面继续传播，另一部分发生反射折向地面，被接收天线接收，并由主机记录，在更深处的界面，电磁波同样发生反射与折射，直到能量被完全吸收为止。反射波从被发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的精确t值折半乘以波速求得目标体的位置或埋深，同时结合各反射波组的波幅与频率特征可以得到探地雷达的波形图像，从而了解场地内目标体的分布情况。

一般，岩体、混凝土等的物质的相对介电常数为4—8，空气相对介电常数为1，而水体的相对介电常数高达81，差异较大，如在探测范围内存在水体、溶洞、断层破碎带，则会在雷达波形图中形成强烈的反射波信号，再经后期处理，能够得到较为清晰的波形异常图。 在众多地质超前预报手段中，使用探地雷达预报属于短期预报手段，预报距离与围岩电性参数、测试环境干扰强弱有关。一般，探地雷达预报距离在15~35米。 2、探地雷达在勘查中的基本参数 ①数电磁脉冲波旅行时

雷达原理

一、绪论 雷达：无线电探测与测距。利用电磁波对目标检测、定位、跟踪、成像和识别。 雷达利用目标对电磁波的反射或散射现象来发现目标并测定其位置的。 组成框图 雷达测量原理 雷达发射信号： 雷达接收信号： 雷达利用收发信号之间的相关性获取目标信息 雷达组成： 天线：向确定的方向发射和接收特定频段的电磁波 收发开关： 发射状态将发射机输出功率接到天线，保护接收机输入端 接收状态将天线接收信号接到接收机，防止发射机旁路信号 发射机：在特定的时间、以特定的频率和相位产生大功率电磁波 接收机：放大微弱的回波信号，解调目标信息 雷达的工作频率： 工作频率范围：22mhz--35ghz 扩展范围：2mhz--94ghz 绝大部分雷达工作在：200mhz--10000ghz 雷达的威力范围：最大作用距离、最小作用距离、最大仰角、最小仰角、方位角范围 分辨力：区分点目标在位置上靠近的能力 距离分辨力：同一方向上两个目标之间最小可区别的距离 角度分辨力：在同一距离上的两个不同方向的点目标之间最小能区别的角度 数据率：雷达对整个威力范围内完成一次搜索所需要的时间倒数，也就是单位时间内雷达所能提供对一个目标数据的次数。 跟踪速度：自动跟踪雷达连续跟踪运动目标的最大可能速度 发射功率的和调制波形： 发射功率的大小直接影响雷达的作用距离

发射信号的调制波形： 早期简单脉冲波形，近代采用复杂波形 脉冲宽度：脉冲雷达发射信号所占的时间。影响探测能力和距离分辨力 重复频率：发射机每秒发射的脉冲个数，其倒数是重复周期。决定单值测距的范围，影响不模糊速区域大小 天线波束形状天线：一般用水平面和垂直面内的波束宽度来表示 天线的扫描方式：搜索和跟踪目标时，天线的主瓣按照一定规律在空间所作的反复运动。机械性扫描和电扫描 接收机的灵敏度：通常规定在保证50%、90%的发现概率条件下，接收机输入端回波信号的功率作为接收机的最小可检测信号功率。这个功率越小接收机的灵敏度越高，雷达的作用距离越远。 显示器的形式和数量：雷达显示器是向操纵人员提供雷达信息的一种终端设备，是人际联系的一个环节。 电子战对抗中的雷达： 电子战（EW ）:敌我双方利用无线电电子装备或器材所进行的电磁信息斗争，包括电子对抗和电子反对抗。 电子对抗（ECM ）：为了探测敌方无线电电子装备的电磁信息（电磁侦察），削弱或破坏其使用效能所采取的一切战术、技术措施（电子干扰、伪装、隐身和摧毁） 电子反对抗（ECCM ）：在敌方实施电子对抗的条件下，保证我方有效采用电磁信息所采取的一切战术、技术措施（反侦察、抗干扰、反伪装、反隐身、反摧毁） 雷达反干扰 天线抗干扰：低旁瓣、旁瓣对消、波束控制、随机扫描 发射机抗干扰：提高有效辐射功率、频率捷变、频率编码、频率分集、脉冲压缩、波形隐蔽、窄脉冲、重频时变 接收机、信号处理机抗干扰：接收机抗饱和、重频、脉宽鉴别、MTI 、MTD 、积累检测 二、发射机 发射机任务：产生大功率高频振荡发射信号。脉冲雷达要求发射机产生一定宽度、一定重复频率、一定波形的大功率射频脉冲列 基本类型：连续波发射机、脉冲调制发射机（单极振荡式发射机、主振荡式发射机） 输出功率：发射机送到天线输入端的功率 峰值功率：脉冲期间发射机输出功率的平均值（不要过分增大法设计的峰值功率） 平均功率：脉冲重复周期内输出功率的平均值： 工作比D: 常规脉冲雷达工作比0.001 脉冲多普勒雷达工作比10-2 ~10-1量级 连续波雷达工作比100% 总功率：发射机输出功率与输入功率之比 主振放大式发射机特别注意改善输出级效率 信号形式： 信号形式由雷达体制决定 常规脉冲雷达为简单脉冲波形，特殊体制雷达为复杂调制波形 t r av P T P τ=r r T F D ττ= =

多普勒天气雷达原理与业务应用思考题

1 多普勒天气雷达主要由几个部分构成？每个部分的主要功能是什么？ 答：主要由雷达数据采集子系统（RDA ），雷达产品生成子系统（RPG ），主用户终端子系统（PUP ）三部分构成。RDA 的主要功能是：产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基本数据。RPG 的主要功能是：由宽带通讯线路从RDA 接收数字化的基本数据，对其进行处理和生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户，是控制整个雷达系统的指令中心。PUP 的主要功能是：获取、存储和显示产品，预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在监视器上。 2 多普勒天气雷达的应用领域主要有哪些？ 答：一、对龙卷、冰雹、雷雨大风、暴洪等多种强对流天气进行监测和预警；二、利用单部或多部雷达实现对某个区域或者全国的降水监测；三、进行较大范围的降水定量估测； 四、获取降水和降水云体的风场信息，得到垂直风廓线；五、改善高分辨率数值预报模式的初值场。 3 我国新一代天气雷达主要采用的体扫模式有哪些？ 答：主要有以下三个体扫模式：VCP11——规定5分钟内对14个具体仰角的扫描，主要对强对流天气进行监测；VCP21——规定6分钟内对9个具体仰角的扫描，主要对降水天气进行监测；VCP31——规定10分钟内对5个具体仰角的扫描（使用长脉冲），主要对无降水的天气进行监测。 4 天气雷达有哪些固有的局限性？ 答：一、波束中心的高度随距离的增加而增加；二、波束宽度随距离的增加而展宽；三、静锥区的存在。 5 给出雷达气象方程的表达式，并解释其中各项的意义。 答： P t 为雷达发射功率(峰值功率)； G 为天线增益；h 为脉冲长度； 、 ：天线在水平方向和垂直方向的波束宽度； r 为降水目标到雷达的距离； ：波长； m ：复折射指数； Z 雷达反射率因子。 6 给出反射率因子在瑞利散射条件下的理论表达式，并说明其意义。 答：∑= 单位体积6i D z ，反射率因子指在单位体积内所有粒子的直径的六次方的总和，与波长无 关。 7 给出后向散射截面的定义式及其物理意义。 答： 定义：设有一个理想的散射体，其截面面积为?，它能全部接收射到其 上的电磁波能量，并全部均匀的向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，Z R C Z m m r h G p p t r ?=?+-=2 2222223212ln 1024λθ?πθ?λi S s R S 24πσ=

地质雷达

地质雷达在隧道超前地质预报中的应用 摘要：本文简要介绍了地质雷达基本原理及其探测深度、精度，并结合实例阐述了地质雷达的工程应用。 关键词：地质雷达；隧道超前地质预报；掌子面 引言 目前，我国修建大量穿越山岭的特长隧道。由于这些隧道大都处于地下各种复杂的水文地质、工程地质岩体中。为了摸清和预知周围的水文地质和工程地质条件，隧道地质超前预报显示出越来越重要的作用。在隧道开挖掘进过程中，提前发现隧道前方的地质变化，为施工提供较为准确的地质资料，及时调整施工工艺，减少和预防工程事故的发生非常重要。一、地质雷达基本原理及探测深度、精度 地质雷达( Ground Penetrating Radar, 简称GPR, 也称探地雷达) 是利用超高频(106Hz～109Hz)电磁脉冲波的反射探测地下目的体分布形态及特征的一种地球物理勘探方法。发射天线( T) 将信号送入地下，遇到地层界面或目的体反射后回到地面再由接收天线( R) 接收电磁波的反射信号，通过对电磁波反射信号的时域特征和振幅特征进行分析来了解地层或目的体特征(见图1)

图1 地质雷达反射探测原理图 根据波动理论，电磁波的波动方程为： P = │P│e-j（αx-αr）﹒e-βr（1）（1）式中第二个指数-βr是一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β为吸收系数。式中第一个指数幂中αr表示电磁波传播时的相位项，α为相位系数，与电磁波传播速度V的关系为： V = ω/α（2）当电磁波的频率极高时，上式可简略为： V = c/ε1/2（3）式中c为电磁波在真空中的传播速度；ε为介质的相对介电常

雷达原理与应用

雷达与声纳的共性及差别是什么？ 雷达是利用无线电技术进行侦察和测距的设备。它可以发现目标，并可决定其存在的距离及方向。雷达将无线电波送出，然后经远距离目标物的反射，而将此能量送回雷达的记发机。记发机与目标物间的距离，可由无线电波传雷达的目标物，再由目标物回到雷达所需的时间计算出。雷达的基本原理与无线电通讯系统的原理同时被人所发现。赫兹与马可尼两人都曾用超短波试验其反射情形，这也就是所谓雷达回波。赫兹用金属平面及曲面证明，电波的反射完全合乎光的反射定律。同时赫兹度量脉冲的波长及频率，并且计算其速度也发现与光相同，这也就是所谓的电磁辐射。雷达送出短暂的电波讯号的程序，称为脉冲程序。雷达的基本作用原理有些相似于声波的回声。唯一与声波测量距离的不同点，在于雷达系统具有一指示器，指示器中包含有一个与电视收像管相同的观察管。此管可将雷达所发出的脉冲及回波，同时显示于其标有距离的基线上。还有其他指示器，使雷达借天线所搜索的资料，制成一个图，从图上立即可以定出目标物的区域距离及方向。因为雷达的作用完全是借电波的反射原理而成，所以必须用频率在1000兆赫到10 000兆赫的类光微波方行。雷达所发射的电波可借抛物面形的反射器，使其成为极度聚焦的波束，这就像探照灯所射出的光束一样。此波束借旋转天线及抛物体形反射器的精密控制，有系统地对空间进行搜索。当波束从目标物反回来时，天线所指的方向，就表示目标物对天线的水平方位角。以角度为单位所表示的水平方位角，通常都显示于指示器上。为了决定目标物与雷达间的距离，雷达的发射脉冲距接收到回波的时间，必须精确测定。因为雷达电波在空中以每秒约30万公里的光速进行，因此在每微秒的时间内，电波行进约为300米。由于雷达脉冲必须从雷达行至目标物，再由目标物回到雷达，但目标物距雷达的距离，为雷达脉冲总行程的一半。约为每微秒l50米。此时间可利用电子束在阴极射线管的屏幕上，以直线扫描指示出。借电子束，以已知变动率（如以每微秒0.01米）作水平偏向，因此电子束打在萤光屏上所留的痕迹，就形成一个时间标度，或直接用尺，来表示。如雷达天线送出一个1微秒长的脉冲，同时指示器的阴极射线管电子束在屏幕上，以每100微秒0.0254米的变动率开始扫描。再假设雷达脉冲在30000米的距离从一飞机反射回天线。当1微秒长的脉冲离开天线的同时，在雷达指示器的左侧也显示出一个0.025厘米长的主脉冲（发射脉冲）。由天线发射的脉冲，到飞机进行了30000米的距离，需时100微秒，然后反回天线也需100微秒。结果微弱的脉冲回波也显示于指示器上，其与主脉冲之间有5厘米的距离，或指示为200微秒。由于脉冲本身有1微秒的长度，所以量度距离时，必须量度两脉冲的前缘间距离。由于回波信号太弱，所以一个单一回波信号显示于指示器，很难被发现。因此回波信号，必须于每秒内，在指示器上重复显示数次，显示的方法是借电子束随天线扫描的速率（通常天线以每分钟15到20转转动）在指示器上扫描而得。雷达无论在平时及战时，都已被广泛的应用。在二次世界大战时使用雷达的目的，只是为了预知敌机的接近。用于预警网的预警雷达，预警雷达天线都是极大的转动抛物面形反射天线，或静止双极矩阵天线。战时雷达的应用很快就被扩展到地面拦截控制，以及高射炮和探照灯的方向控制等。这些所谓的射击控制雷达不仅能察知敌机的所在，并能自动决定高射炮的发射方向及使其发射。由于雷达可度量其与目标物间的距离，当然也可以从飞机上测量距地面的垂直高度。常用的各种脉冲式雷达就可度量一架飞机的高度，供飞行员飞行的参考。然而对很低的高度（低于1000米），因距离太近，脉冲式雷达的回波有与其发射出的主脉冲合并的趋势。因此大多数雷达测高仪都不用脉冲输出，而用等幅调频电波。雷达测高仪的发射天线，送出一垂直无线电波束，此电波的频率连续不断的变化。当信号离开发射天线的瞬间，其信号的频率为某一频率。然后当信号由地反射回到测高仪的接收天线后，因接收机内有一相位鉴别器（或简称为鉴相器），鉴相器可将接收到的回波，与正在发射出的

地质雷达报告

福州绕城公路东南段 南峰隧道超前地质预报 （地质雷达） 编号：BG-CQYB-A16-001 合同段：A16合同段 施工单位：中铁十七局集团第一工程有限公司探测范围：右线出口LYK8+335～LYK8+310 编制： 校核： 检测单位：中国科学院武汉岩土力学研究所 检测日期：2013年12月27日 报告日期：2013年12月27日

一、工作概况 2013年12月27日，中国科学院武汉岩土力学研究所对福州绕城公路东南段A16合同段南峰隧道出口右洞进行了超前地质预报，采用GSSI 公司生产的SIR-20地质雷达进行数据采集，配属100MHZ 的屏蔽天线进行了探测。本次探测范围为右线出口LYK8+335～LYK8+310，共25m 。 二．预报的方法技术 （一） 地质雷达超前预报的基本原理 地质雷达(Ground Penetrating Radar ，简称GPR)是近年来应用于浅层地质构造、岩性检测的一项新技术，其特点是快速、无损、连续检测，并以实时成象方式显示地下结构剖面，使探测结果一目了然，分析、判读直观方便。因探测精度高、样点密、工作效率高而倍受关注。随着该项技术的不断完善和发展，其应用领域不断扩展。 隧道地质雷达超前预报方法是一种用于确定隧道掌子面前方介质分布变化的广谱电磁波技术。如图1所示，利用一个天线向掌子面前方发射无载波电磁脉冲，另一个天线接收由岩体中不同介质界面反射的回波，利用电磁波在岩体介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性 质(如介电常数Er) 及几何形态的变化差异，根据接收到的回波旅行时间、幅度和波形等信息，来探测掌子面前方介质的地层结构与异常地质体。 理论研究与实验室模拟试验证明，电磁波在物体或介质中的传播速度v 、走时t 、与介质的相对介电常数Er 有如下关系： v x z t 2 24+= r c v ε=

1多普勒天气雷达原理与应用

第六部分 多普勒天气雷达原理与应用（周长青） 我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品 第一章 我国新一代天气雷达原理 一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA ）、雷达产品生成子系统（RPG ）、主用户处理器（PUP ）。 二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性 （密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。 2 /3730/776.0T e T P N +=波束直线传播 波束向上弯曲波束向下弯曲000=>

最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c 为光速，PRF 为脉冲重复频率。 距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax ）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax 之外时，雷达却把目标物显示在Rmax 以内的某个位置，我们称之为‘距离折叠’。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z 值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）： ?=dD D D N Z 6)( 0lg 10Z Z dBZ ?= 360/1m mm Z = 即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。 意义：一般Z 值与雨强I 有以下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性 由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模糊的处理等，均增大了雷达资料的误差。虽然如此，由于径向速度是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度，雷达反射率因子通过对沿径向上的四个取样体积平均得到的，其径向分辨率相当于四个取样体积的长度，这也使雷达探测的资料具有一定的代表性。 第二章 天气雷达图像识别 一、掌握多普勒效应 多普勒效应为，当接收者或接受器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接受者或接收器时频率的变化。多普勒频率，是由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，也称为多普勒频移，其与目标的径向运动速度成正比，与多普勒天气雷达波长成反比。 二、了解多普勒天气雷达测量反射率因子、平均径向速度和速度谱宽的主要技术方法 多普勒雷达利用降水粒子的后向散射与多普勒效应来达到对其探测的目的。通过发射信号与接收信号的延迟来测量距离，通过降水粒子的多普勒频移来测量其速度。 反射率因子：雷达的反射率因子是降水粒子后向散射被雷达天线接收到的回波，为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和，反射率因子Z 值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多。

地质雷达在工程中的应用

地质雷达在工程中的应用 李勃 (辽宁省有色地质局一0八队，沈阳 110121) 摘 要:探地雷达是近年来发展起来的一种物探新技术新方法。本文介绍了其基本原理及在岩溶地质勘探、地下管线探测、高速公路检测中应用的实例分析，重点阐述了雷达图像的推断解释，同时表明地质雷达具有快速经济、灵活方便、剖面直观等优点，具有良好的实用性。 关 键 词:地质雷达 实例分析 实用性 1 前 言 地质雷达，全称地质勘探雷达系统（Ground Penetrating Radar ）(简称GPR)。它是通过向所探测地面下方发射高频电磁波束、并接受来自地下的介质界面的反射波来探测地下介质分布的地球物理勘探设备。其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点，备受广大工程技术人员的青睐。现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，本文以三个实例，说明探地雷达技术在工程中的应用效果。 2 基本原理 地质雷达是一种使用高频电磁波探测地下介质分布的非破坏性探测仪器。它 通过剖面扫描的方式获得地下剖面的扫描图像(图1)。雷达通过在地面上移动的发射天线向地下发射高频电磁波， 电图1 地质雷达探测工作 图2 雷达波形记录示意图 天线天线 地面基岩面溶洞 点位（m) 12345670 双 程 时 间 (ns)

磁波在介质中传播时，其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料，可推断介质的结构。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录，波形的正负峰分别以黑、白表示，或者以灰度或彩色表示。这样同相轴以等灰度、等色线即可形象地表征出地下反射面。图2为波形记录的示意图，图上对照一个简单的地质模型，画出了波形的记录，在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达时间剖面，通过对雷达图像的判读，可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。 3 工程实例 3.1 岩溶地质勘探 本次工作任务是探测挖掘坑深部15米内有无岩溶洞穴、溶槽溶沟、溶蚀裂隙。挖掘坑为一溶洞，根据钻探资料可知，上面为洞穴堆积物，下面基岩层为灰岩。 地质雷达的观测方法采用剖面法。根据所揭示的地层分布特征，覆盖层的电 磁波平均速度一般为0.06～0.08 m/ns ， 下伏灰岩电磁波平均速度一般为0.09～ 0.12m/ns;考虑雷达波的穿透能力，采用 100Mhz 天线，设定探测窗口为500ns ， 采样点为1024，采取连续观测采集数据。 在隐伏基岩为灰岩的地区，溶蚀破碎带是一种较为常见的地质现象，一般情况下，致密的灰岩雷达波相特征是非常弱的反射或无反射，其周期较上覆黏土层应明显增加。而当致密的灰岩层在地下水的作用下发生溶蚀后，首先是以细微裂隙形式存在，且伴随溶蚀程度的提高而逐渐扩大，当这些细小的裂隙发展到一定程度后，常常会上下，左右连通，致使周围岩石破碎，进而形成溶蚀破碎结构。由于这些破碎的裂隙空间常常被空气、水以及黏土等物质所充填，进而使得裂隙与围岩之间接触面两侧的波阻抗存在差异，因此，当雷达波运行到这些波阻抗存在差异的接触面时，将会发生反射、折射和绕射，形成杂乱的强波阻抗反射特征。 当溶蚀裂隙扩展到一定程度，便发育成溶洞。溶洞雷达图像的特点是被溶图3 溶蚀破碎带雷达变面积曲线图 破碎

地质雷达检测的基本原理及其在公路隧道中的应用效果

地质雷达检测的基本原理及其在公路隧道中的应用效果 满银 贵州省交通科学研究院贵州贵阳 摘要：经济从沿海向中西部发展，带动部分地区经济的同时，也带动了部分地区交通状况的改善，各色公路在全国各地的普及，使其在修建时也面临各种不同的问题，如在山区修建公路时需要开凿隧道等问题。隧道的开凿是一项有难度的技术活，必须做到测量的准确，不能出一点差错。科技的发展使隧道在开凿过程中简便了不少，尤其是地质雷达检测系统在隧道开凿过程中的应用，彻底取代了旧时代所用的测量方法。地质雷达检测是一项非破坏性的、分辨率高、快速且准确的检测方法，它所独有的特质决定了它具有技术上的优越性。 关键词：地质雷达；检测；公路；隧道 改革开放以来，国家综合实力稳步提升，经济也逐渐从沿海一带向中内地发展，发展经济的基础首要的是交通的便利，因此，我国公路交通的建设规模日益扩大，公路的建设遍布全国各地。由于我国地形多以山地、丘陵为主，地形阶梯跨越较大，在修建公路的同时难免遇到一些障碍。当在山地和丘陵地区修建公路时，考虑到路程、安全和便捷的问题，往往需要开凿隧道，取代盘山公路。而科学技术的发展，使得隧道在开凿过程中难度大大降低，尤其是地质雷达检测在公路隧道开凿过程中的应用，大大降低了隧道开凿的测量难度。 一、地质雷达检测的应用原理 地质雷达检测是指用雷达探测地下的物体，扫除障碍以保证施工的顺利进行。地质雷达在施工过程中探测岩石层中的目标时，通过发出超高频率的以宽频带短脉冲为形式的电磁波，发出的电磁波会形成一个反射讯号。不同的地形其内部结构不同，不同结构层的电磁特性不同，因此，会产生不同频率的电磁波，并且发出反射信号。当地面上接收到地质雷达发来的检测信号，便通过接受装备将信号输入到接收器中，然后再将其放大由示波器直观的显示出来。所以，通过对接收到的电磁波发出的反射信号的频率特征等加以解析，就可以了解到所探测的地形结构的特征。 地质雷达在探测过程中所能探测到的最远的距离被称为地质雷达的探测深度，它受到两个方面的制约，分别是地质雷达检测的活动范围以及地质雷达检测

雷达测速原理简介及系统应用

测速雷达原理 雷达原理简介 首先，大家必须先了解雷达的基本原理，因为雷达仍是当前用来检测移动物体最普遍的方法。雷达英文为RADAR ，是Radio Detection And Ranging 的缩写。所有利用雷达波来检测移动物体速度的原理，其理论基础皆源自于「多普勒效应」，其应该也是一般常见的多普勒雷达(Doppler Radar)，此原理是在19世纪一位澳地利物理学家所发现的物理现象，后来世人为了纪念他的贡献，就以他的名字来为该原理命名。 多普勒的理论基础为时间。波是由频率及振幅所构成，而无线电波是随着波而前进的。当无线电波在行进的过程中，碰到物体时，该无线电波会被反弹，而且其反弹回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。若无线电波所碰到的物体是固定不动的，那么所反弹回来的无线电波其频率是不会改变的。然而，若物体是朝着无线电线发射的方向前进时，此时所反弹回来的无线电波会被压缩，因此该电波的率频会随之增加；反之，若物体是朝着远离无线电波方向行进时，则反弹回来的无线电波，其频率则会随之减小。下图为多普勒雷达(Doppler Radar)的基本原理图标： CS R-28测速雷达所应用的原理，就是可以检测到发射出去的无线电波，与遇到运动物体反弹回来的无线电波其间的频率变化及I 通道和Q 通道的相位变化。由频率的变化，依特定的比例关系，而计算出该波所碰撞到物体的速度。由I 通道和Q 通道之间的相位关系，计算判断运动物体是朝着无线电波的方向前进或朝其反方向前进。 根据多普勒原理，由于雷达发射和接受共用一个天线，且运动目标的运动方向与天线法线方向相一致，运动目标的多普勒频率fd 符合下列关系式。 (1) f d = 2V r f t C

最新1多普勒天气雷达原理与应用汇总

1多普勒天气雷达原 理与应用

第六部分 多普勒天气雷达原理与应用（周长青） 我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品 第一章 我国新一代天气雷达原理 一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA ）、雷达产品生成子系统（RPG ）、主用户处理器（PUP ）。 二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性 （密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。 2 /3730/776.0T e T P N +=波束直线传播 波束向上弯曲波束向下弯曲000=>

雷达波长，K 表示与复折射指数有关的系数，C 为常数，之决定于雷达参数和降水相态。 四、了解距离折叠 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c 为光速，PRF 为脉冲重复频率。 距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax ）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax 之外时，雷达却把目标物显示在Rmax 以内的某个位置，我们称之为‘距离折叠’。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z 值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）： ?=dD D D N Z 6)( 3 60/1m mm Z = 即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。 意义：一般Z 值与雨强I 有以下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性 由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在 一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模糊的处理等，均增大了雷达资料的误差。虽然如此，由于径向速度是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度，雷达反射率因子通过对沿径向上的四个取样体积平均得到的，其径向分辨率相当于四个取样体积的长度，这也使雷达探测的资料具有一定的代表性。 第二章 天气雷达图像识别 一、掌握多普勒效应 多普勒效应为，当接收者或接受器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接受者或接收器时频率的变化。多普勒频率，是由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷

地质雷达操作手册

第一篇SIR-3000操作探讨 1.GSSI简介 便携式透地雷达美国GSSI是目前世界上最好的生产地质雷达的厂家，它的产品遍布全球，目前超过1800套，占全球销量80%以上，在中国200余套，占中国市场份额的75%以上。创始于1969年的美国地球物理探测公司(GSSI公司)，是世界上第一家专业研制探地雷达的公司，其前身为美国宇航局。随着60年代末期美国宇航局专门为阿波罗计划所研制的专用仪器，成功地探测到月球表面尘埃之后，世界上第一台进入民用的商用探地雷达得以在美国推出，它就是美国GSSI公司生产的SIR系列探地雷达的前身。它用电磁波为地质勘察服务，为勘察方法起到了革命性的推动作用。

注释：不要使用Windex或其它脱氨的玻璃清洁器来清洁显示屏，因为这会损坏涂层。只需使用一个清洁的、轻微潮湿的布来轻柔地擦洗屏幕。位于该部件前部的电池槽接收10.8伏的锂离子可充电电池。完全充电电池的测量时间近似为3小时。电池是可以再充电的，方法是采用任选的电池充电器来充电，或通过简单地把电池留在该部件内，把该部件与标准交流源连接起来，然后把系统放在备用模式下进行。给一个电池再充电的时间近似为4 到5小时。务必保持电池槽遮盖在该部件上，在使用中保证没有灰尘或污垢进入该部件内部。 2.探测原理 H=vf 3.硬件连接 在该部件的背部，SIR-3000有六个连接器和一个用于记忆卡的槽。顶排五个连接器从左到右依次是：交流电源，串行输入/输出（ RS232），以太网，USB-B，USB-A。

注：如果你没有使用测量轮的话，用户标记对记录所通过的距离是有帮助的。对记录诸如圆柱，树，凹坑等障碍物的位置来说，用户标记也是有帮助的。 3. 启动和屏幕显示 第一个是TerraSIRch。用TerraSIRch模式可以对所有数据采集参数进行完全控制。QuickStart 引导是对每个其他模式都有用的。按TerraSIRch按钮。过一会儿，你将看到屏幕被分成了三个窗口，并且有一个条运行穿过屏幕底部，该条带有上面六个功能键的命令。 按Mark 按钮将改变你要求的单位，从英制的到米制的。 在进入六个数据采集模式之一后，你可以通过点击Power （电源）按钮两次来返回该屏幕,或去掉电源再把它插入进行启动来返回该屏幕。 4. 基于时间数据采集的设置 时基数据剖面的扫描间距（水平分辨率）是系统采集数据的速度和天线移过测量界面的速率的函数。你设置的速率（每秒扫描数）越高，并且你移动天线越慢，则数据将越稠密。 时基数据没有实际距离的标记，因此软件不知道你实际要测量旅行多远。特别重要的是以常数速度移动天线，并以一致的间隔增加用户标记（点击标记按钮）。时基数据需要在RADAN中做附加处理，以创建三维图象。如果三维图象是你的目标，你应该用测量轮采集基于距离的数据。 第一步： 在系统启动后，按TerraSIRch 功能键。几秒钟后，你将看到一个分区的屏幕，右边是波形曲线，左边是参数选择树，中央是主要数据显示窗。如果你有一个已连接的天线，一个兰色的“等待”条将两

地质雷达原理

地质雷达就是目前分辨率最高得工程地球物理方法，在工程质量检测、场地勘察中被广泛采用，近年来也被用于隧道超前地质预报工作。地质雷达能发现掌子面前方地层得变化,对于断裂带特别就是含水带、破碎带有较高得识别能力。在深埋隧道与富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达就是—个很好得预报手段。 1.基本原理 探地雷达就是一种用于确定地下介质分布情况得高频电磁技术, 基于地下介质得电性差异，探地雷达通过一个天线发射高频电磁波，另_ 个天线接收地下介质反射得电磁波，并对接收到得信号进行处理、分析、解译。其详细工作过程就是:由置于地面得天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性（主要就是相对介电常数）界面时,电磁波一部分发生折射透过界面继续传播，另一部分发生反射折向地面，被接收天线接收,并由主机记录，在更深处得界面，电磁波同样发生反射与折射，直到能量被完全吸收为止。反射波从被发射天线发射到被接收天线接收得时间称为双程走时t,当求得地下介质得波速时，可根据测到得精确t值折半乘以波速求得目标体得位置或埋深，同时结合各反射波组得波幅与频率特征可以得到探地雷达得波形图像，从而了解场地内目标体得分布情况。

图1探地雷这电磁波传播示意图亠 —般,岩体、混凝土等得物质得相对介电常数为4—8,空气相对介电常数为1,而水体得相对介电常数高达81,差异较大，如在探测范围内存在水体、溶洞、断层破碎带,则会在雷达波形图中形成强烈得反射波信号，再经后期处理,能够得到较为清晰得波形异常图。 在众多地质超前预报手段中，使用探地雷达预报属于短期预报手段,预报距离与围岩电性参数、测试环境干扰强弱有关。一般，探地雷达预报距离在15?35米。 ①数电磁脉冲波旅行时

雷达组成及原理

雷达的组成及其原理 课程名称：现代阵列并行信号处理技术 姓名：杜凯洋 教师：王文钦教授 一．简介 雷达（Radar，即 radio detecting and ranging），意为无线电搜索和测距。它是运用各种无线电定位方法，探测、识别各种目标，测定目标坐标和其它情报的装置。在现代军事和生产中，雷达的作用越来越显示其重要性，特别是第二次世界大战，英国空军和纳粹德国空军的“不列颠”空战，使雷达的重要性显露的非常清楚。雷达由天线系统、发射装置、接收装置、防干扰设备、显示器、信号处理器、电源等组成。其中，天线是雷达实现大空域、多功能、多目标的技术关键之一；信号处理器是雷达具有多功能能力的核心组件之雷达种类很多，可按多种方法分类： （1）按定位方法可分为：有源雷达、半有源雷达和无源雷达。 （2）按装设地点可分为；地面雷达、舰载雷达、航空雷达、卫星雷达等。 （3）按辐射种类可分为：脉冲雷达和连续波雷达。 （4）按工作被长波段可分：米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其它波段雷达。 （5）按用途可分为：目标探测雷达、侦察雷达、武器控制雷达、飞行保障雷达、气象雷达、导航雷达等。 二. 雷达的组成 （一）概述 1、天线：辐射能量和接收回波（单基地脉冲雷达），（天线形状， 波束形状，扫描方式）。

2、收发开关：收发隔离。 3、发射机：直接振荡式（如磁控管振荡器），功率放大式（如主振放大式），（稳定，产生复杂波形，可相参处理）。 4、接收机：超外差，高频放大，混频，中频放大，检波，视频放大等。（接收机部分也进行一些信号处理，如匹配滤波等），接收机中的检波器通常是包络检波，对于多普勒处理则采用相位检波器。 5、信号处理：消除不需要的信号及干扰而通过或加强由目标产生的回波信号，通常在检测判决之前完成（MTI，多普勒滤波器组，脉冲压缩），许多现代雷达也在检测判决之后完成。 6、显示器（终端）：原始视频，或经过处理的信息。 7、同步设备（视频综合器）：是雷达机的频率和时间标准（只有功率放大式（主振放大式）才有）。 （二）雷达发射机 1、单级振荡式：大功率电磁振荡产生与调制同时完成（一个器件） 图2-1 单级振荡式发射机 （1）定时器提供以 T为间隔的脉冲触发信号 r （2）脉冲调制器：在触发脉冲信号激励下产生脉宽为τ的大功率视频脉冲信号。 （3）功率射频振荡器：产生大功率射频信号。

TSP、地质雷达、红外探水在工程中的应用原理

地质雷达方法 地质雷达检测是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，其工作过程是由置于地面的发射天线发送入地下一高频电磁脉冲波(主频为数十兆赫至数百兆赫乃至千兆)，地层系统的结构层可以根据其电磁特性如介电常数来区分，当相邻的结构层材料的电磁特性不同时，就会在其界面间影响射频信号的传播，发生透射和反射。一部分电磁波能量被界面反射回来，另一部分能量会继续穿透界面进入下一层介质，电磁波在地层系统内传播的过程中，每遇到不同的结构层，就会在层间界面发生透射和反射，由于介质对电磁波信号有损耗作用，所以透射的雷达信号会越来越弱。探地雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备(计算机)等组成。 各界面反射电磁波由天线中的接收器接收并由主机记录，利用采样技术将其转化为数字信号进行处理。从测试结果剖面图得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t。当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和埋深。这样，可对各测点进行快速连续的探测，并根据反射波组的波形与强度特征，通过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测，则可了解场地目标体平面分布情况(如图2.2所示)。通过对电磁波反射信号(即回波信号)的时频特征、振幅特征、相位特征等进行分析，便能了解地层的特征信息(如介电常数、层厚、空洞等)。

红外探水仪 简介 地质体每时每刻都在由向外部发射红外能量，并形成红外辐射场。地质体由内向外发射红外辐射时，必然会把地质体内部的地质信息，以红外电磁场的形式传递出来。 当隧道前方和外围介质相对比较均匀，且不存在隐蔽灾害源时，沿隧道走向分别对顶板、底板、左边墙、右边墙向外进行探测，所获得的红外探测曲线，具有正常场特征。当隧道断面前方或隧道外围任一空间部位存在隐蔽灾害源时，隐蔽灾害源产生的灾害场就一定会迭加到正常场上，使正常场中的某一段曲线发生畸变，畸变段称作红外异常。红外探测就是根据红外异常来确定隐蔽灾害源的存在。隐蔽灾害源是指含水断层、含水溶洞、地下暗河。 HW－304型红外探测仪，是在303型的基础上向前迈进了一步，它可将探测场强数据储存在仪器内，用通讯电缆与微机连接后，可将探测数据直接传输至微机，实现快速准确成图。 用途 在复杂地质条件下，特别是岩溶发育地区，相对掘进隧道的隐伏水体或含水构造，除了出现在掘进前方之外，还可能出现在顶板上方、底板下方、两边墙外部。针对复杂水文地质特点，红外探测仪可实现全空间全方位探测。其具体地质预报内容如下：