隨著當(dāng)代社會(huì)及科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)雷達(dá)的功能要求越來越高，不僅要求雷達(dá)能夠測(cè)量目標(biāo)的距離信息，還希望能夠測(cè)量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度、相位以及加速度等信息；有時(shí)還需要雷達(dá)能夠?qū)δ繕?biāo)物進(jìn)行一維、二維乃至三維成像。今天，巡鷹智檢與大家一起深入了解下此技術(shù)。
巡鷹智檢（Screening Eagle Technologies ），由瑞士無損檢測(cè)儀器品牌Proceq和新加坡機(jī)器人技術(shù)公司Dreamlab合并而成，為建筑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)的智能檢測(cè)提供技術(shù)平臺(tái)。
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目前，雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)其信號(hào)源的種類分為：
● 脈沖頻雷達(dá)
● 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)
● 步進(jìn)頻率連續(xù)波雷達(dá)，等等
對(duì)于脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，因其信號(hào)源技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)及應(yīng)用相對(duì)成熟。而步進(jìn)頻率連續(xù)波雷達(dá)的頻率源發(fā)展相對(duì)較晚。最早也是在20世紀(jì)60年代末，美國學(xué)者Ruttenburg K和Chanzi L提出了一種新的提高雷達(dá)的距離分辨率的技術(shù)，也就是利用一連串跳變的脈沖信號(hào)來代替之前的普通的雷達(dá)頻率源，這就是早期的步進(jìn)頻率信號(hào)的雛形。
近年來，隨著雷達(dá)波及集成電路技術(shù)的深化應(yīng)用，步進(jìn)頻率技術(shù)得到了長足的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于民用雷達(dá)領(lǐng)域，諸如探地雷達(dá)、穿墻雷達(dá)甚至智能交通的車載雷達(dá)中。它憑借其獨(dú)有的特點(diǎn)，即利用較小的瞬時(shí)帶寬，在工作時(shí)因?yàn)檫B續(xù)頻率跳變又可以合成較大的工作帶寬，這種特點(diǎn)可以大幅度的提高雷達(dá)分辨率，同時(shí)又降低系統(tǒng)的噪音系數(shù)，從而提高雷達(dá)的靈敏度，所以步進(jìn)頻率源和其收發(fā)系統(tǒng)的研究越來越得到國內(nèi)外研究者的重視。
1997年，Cape Town高校研發(fā)出一種低成本、小體積的便攜式步進(jìn)頻率雷達(dá)Mercury-A；
2000年，意大利的Alberti等人利用步進(jìn)頻率源研制出CORISTA遙感探測(cè)系統(tǒng)，在考古研究方面取得了很大的應(yīng)用；
2005年，三星公司研制了一款步進(jìn)頻率的超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)，其頻率范圍 寬達(dá)600-5,600 MHz；
2009年，美國AKELA公司，研制出一款步進(jìn)頻率源的穿墻雷達(dá)，頻率范圍為500-2,000 MHz，帶寬達(dá)到1.5 GHz，由于其帶寬較寬，該雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率可達(dá)0.1m；
2012年，D. Seyfried等人將步進(jìn)頻率雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于地下探測(cè)領(lǐng)域，該雷達(dá)的頻率范圍為200-1,500 MHz，有效檢測(cè)出埋在地下3-5 m深的管道以及電纜情況；
2014年，Liu和Sato等人，將步進(jìn)頻率雷達(dá)應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，雷達(dá)頻率范圍為500-6,000 MHz，主要用來探測(cè)路面厚度、分層以及介電常數(shù)等參數(shù)。
步進(jìn)頻率連續(xù)雷達(dá)波（SFCW）作為連續(xù)波雷達(dá)，與脈沖頻雷達(dá)存在一定差別。
首先，它發(fā)射的信號(hào)為連續(xù)波，所需要的頻率源設(shè)計(jì)就容易很多，同時(shí)增加了波列長度；
其次，它不需要像脈沖頻雷達(dá)那樣共用發(fā)射和接收天線，不需要切換收發(fā)狀態(tài)，減小系統(tǒng)的開關(guān)過程，有效消除雷達(dá)探測(cè)的“霧區(qū)”；
另外，它還包含超寬頻段的雷達(dá)波發(fā)射，因此不需要發(fā)射機(jī)擁有很高的峰值功率，同時(shí)信號(hào)的平均發(fā)射能量大，使得雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)，又可在全深度范圍內(nèi)具有較好的深度分辨率。
圖 1 SFCW雷達(dá)：頻域圖（左）和頻譜圖（右）
從圖1中SFCW雷達(dá)波信號(hào)的頻域圖可以看到：在步進(jìn)頻率信號(hào)中，對(duì)于單個(gè)子脈沖來說，其產(chǎn)生的瞬時(shí)帶寬非常窄，而在多個(gè)窄帶的脈沖中間進(jìn)行頻率調(diào)制就可以合成較大的工作帶寬，步進(jìn)頻率信號(hào)就是利用此原理提高了雷達(dá)的距離分辨率。
同時(shí)，從SFCW雷達(dá)波的頻譜圖可以看到：雷達(dá)頻譜是離散的（即每一個(gè)中心頻率幅值非常高，其他雜散頻率的本底噪音幅值很弱），這就能有效抑制外界的干擾頻率，降低系統(tǒng)探測(cè)時(shí)的噪音干擾，提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。
巡鷹智檢采用SFCW探地雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
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圖2 廣州某地探地雷達(dá)實(shí)測(cè)圖：SFCW （左）和雙頻脈沖（右）
圖2為廣州某地探地雷達(dá)實(shí)測(cè)圖。左圖為采用SFCW技術(shù)的GS8000探地雷達(dá)探測(cè)圖，右圖為市面上采用高、低雙頻脈沖天線的探地雷達(dá)探測(cè)圖。
從右圖中可以看到：特定頻率的天線，僅對(duì)特定深度有最佳成像效果，該圖中高頻脈沖天線（右上）可清晰看到燃?xì)夤艿?，但?duì)下方鋼筋網(wǎng)探測(cè)不夠清晰；低頻脈沖天線（右下）可同時(shí)探測(cè)到管道和鋼筋網(wǎng)，但鋼筋網(wǎng)信號(hào)較弱，且底部出現(xiàn)較重的相干噪音條紋。
從左圖中可以看到：SFCW步進(jìn)寬頻，可以理解為從全寬帶范圍內(nèi)有許多中心頻率的雷達(dá)波，每一個(gè)中心頻率都在其對(duì)應(yīng)的深度有最佳成像效果，同時(shí)它在此深度處還可以抑制其他頻率在此處產(chǎn)生的相干噪音。因此，在全深度范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)高清晰度成像，同時(shí)看到較強(qiáng)信號(hào)的管道、鋼筋網(wǎng)、局部脫空以及很弱的相干噪音。
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圖3 廣州某地探地雷達(dá)實(shí)測(cè)圖：-10超寬帶SFCW（左），寬帶SFCW（中），窄帶SFCW（右）
其中左圖為40-3,440 MHz超寬帶SFCW天線采集，中圖為40-1,000 MHz寬帶SFCW天線采集，右圖為220-740 MHz窄帶SFCW天線采集。
從左圖可以看到：采用超寬帶SFCW天線進(jìn)行淺層成像。目標(biāo)脫空界面非常清晰、邊界收尾也較陡直。
從中圖可以看到：采用寬帶SFCW天線進(jìn)行全深度成像。選擇默認(rèn)的最寬的40-1,000 MHz頻率范圍，可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)脫空信號(hào)非常明顯，且有清晰邊界收尾，但是脫空下方出現(xiàn)第二次激振信號(hào)。
從右圖可以看到：采用窄帶SFCW天線進(jìn)行全深度成像。將SFCW天線模擬單頻或者雙頻天線，將頻率范圍縮小至220-740 MHz，可以看到目標(biāo)脫空下方呈現(xiàn)出二次、三次、四次、五次激振。該圖像與傳統(tǒng)單頻或雙頻脈沖雷達(dá)圖像相似。
綜上所述
新型SFCW探地雷達(dá)采用頻率逐次遞進(jìn)的窄帶脈沖頻合成超寬帶頻率連續(xù)雷達(dá)波，可以在全深度范圍內(nèi)進(jìn)行一次性高清晰度成像，同時(shí)保證優(yōu)異的深度分辨率和信噪比。此外，鑒于其自帶多個(gè)離散性較好的單個(gè)子脈沖雷達(dá)波，它可以用來模擬傳統(tǒng)脈沖頻天線對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效探測(cè)。
關(guān)于巡鷹智檢
巡鷹智檢（Screening Eagle Technologies ），由瑞士無損檢測(cè)儀器品牌Proceq和新加坡機(jī)器人技術(shù)公司Dreamlab合并而成，為建筑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)的智能檢測(cè)提供技術(shù)平臺(tái)。
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