雷达测厚实验计划书.docx

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雷达测厚实验计划书

雷达测厚实验

计划书

学院：

信息工程

专业：

电子信息工程

组别：

第六组

指导老师：

郭晨

成员：

黄凯丽刘稳崔静文清

王冬冬林军峰张延涛

时间：

2012年9月30日

一．摘要……………………………………………………………3

二．正文

1.实验目标……………………………………………………3

2.相关背景介绍………………………………………………3

3.实验原理及方法……………………………………………5

4.原始数据采集………………………………………………8

5.数据处理及误差分析………………………………………10

6.实验结论……………………………………………………10

7.心得体会……………………………………………………11

三．附录（参考文献）……………………………………………12

摘要

为了得到石碑的厚度,本实验中采用了探地雷达技术进行测量。

根据探地雷达的工作原理,工作时发射天线向石碑发射高频脉冲电磁波（1MHz～2GHz）,电磁波在其中传播时,其传播路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电磁属性（介电常数）和几何形态的变化而变化。

雷达主机将接收此部分的反射波,并根据其双程传播时间t和计算所得速度计算出各结构层的厚度。

通过采用配置有1600MHz天线的*****型探地雷达对石碑样件厚度的检测,我们发现在厚度＜****mm时,检测最大误差为**%。

实际的工程检测（如短脉冲雷达监测路基路面厚度）可以证明用短脉冲雷达测量物件厚度时精度是非常高的。

本实验采用雷达法测量石碑结构的厚度是切实可行的。

正文

一:

实验目标

1、了解雷达的工作原理

2、掌握简单的雷达使用方法

3、学会运用雷达来测量目标物厚度

4、学会对雷达测量数据作简单的分析，并能做出正确处理。

二．相关背景介绍

探地雷达（GroundPenetratingRadar，GPR）又称透地雷达，地质雷达，是用频率介于10^6-10^9Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种无损探测方法。

（1）探地雷达的发展历史

探地雷达是近几年问世的高科技现代探测仪器，它能够进行地下管线探测、公路质量检测、地下地质结构探测、断层探测、考古等。

自从上世纪德国科学家提出用高频电磁波脉冲探测目标物以来，这引起了多国科学家的兴趣，1910年德国利用探地雷达探测地下目标体分布特征的理论；1968年美国开发了最早的探地雷达设备，其初期设备仅限于冰层、岩层等对高频电磁波吸收较弱的介质中；1970年美国地球物理探测仪器公司生产第一台商用探地雷达研究领域走向无损、快速探查；上世纪80年代我国开始引进国外的探地雷达技术，并开始广泛应用与许多领域。

（2）探地雷达在道路厚度检测方面的应用

随着道路建设的快速发展，道路建设前期的地质结构勘测、验收阶段的评估、乃至后期的维护与修补等方面都尤为重要，所以雷达的应用将在道路检测方面实现其不可估量的价值。

目前路面结构层的厚度是评价公路路面质量的关键性指标之一，然而厚度检测和质量评价主要采用钻探取芯的方法，这种方法存在一定的局限性：

首先被测点是随机选择的，因而检测结果往往缺乏代表性；其次由于取样点少,评价结果随机性太大,所以可信度低,得不到可靠的评价值；而且在目前激烈竞争的公路市场中，有些施工单位在施工中有意识地将路面厚度适当降低,以争取更大的利益，使用雷达检测可以对施工单位形成一定的威慑作用,提高施工单位严把质量关的自觉性；更重要的是，这些方法造公路本身就是个很大的破坏，加之检测的速度慢、工作量大，难以适应道路行业快速发展的需要。

所以雷达的出现很好的解决了这些问题。

（3）实验意义

探地雷达作为一种非接触、非破损的路面检测技术，不仅检测精度高、费用低、检测内容丰富，而且检测速度快。

今天我们将使用超宽带脉冲雷达测量石碑厚度，利用其相对其他雷达的优越性能：

抗干扰性能强、雷达信号具有极高的距离分辨力、超近程探测能力、具有良好的目标识别能力等，进行实验测量。

了解探地雷达的发展历史、工作原理，并掌握探地雷达的检测技术。

三．实验原理及方法

（1）关于超宽带脉冲雷达

超宽带雷达系统由波形产生器、发射机、接收机、收发天线和信号处理器等部件组成，其中波形产生器产生超宽带信号波形。

它的抗干扰性能强。

兼有低频和宽频的特点，具有较强的穿透能力，其测量分辨率高，相对宽带大，可以分辨目标的许多散射点，将这些散射点的回波信号积累，可以改善信噪比，其分辨率可以达到厘米量级。

超宽带雷达具有良好的目标识别能力，由于雷达发射脉冲的时间短，可以使目标不同区域的响应分离，使目标的特性突出，从而进行目标的识别。

此外，借助信号的款普特性，可以激励目标的众多响应模式，也增加了雷达的目标识别能力。

超宽带雷达具有超近程探测能力。

传统的雷达在探测近程目标时存在盲区，而超宽带雷达的最小探测距离与距离分辨力大致相等，这一特点使超宽带雷达具有超近程探测能力。

（2）测量原理

雷达所发射的电磁波能够穿透绝大多数非金属介质，当电磁波遇到目标物时能发生反射和折射，如图

（1）所示

图

（1）

由于介质的介电常数不同，电磁波在不同介质中的传播速度不同。

其表达式为：

式中：

C为光速;ε为介电常数。

雷达通过天线发射高频电磁波，穿透目标物，再由天线接收反射回来的电磁波。

则脉冲波行程需时：

图

（2）反射探测原理

厚度计算，由于此处x=0，故计算式为：

H=（t*v）/2

式中：

H为物体厚度；V为电磁波在物体中传播速度；t为电磁波由表面传至内部和另一表面的双向走时。

实验方法及步骤

1.实验前准备工作

（1）实验测量对象确定：

本实验测量对象选定为一块厚度相对较均匀、质地较均一、表

面较平滑、表面积较大的板片状石碑（介电常数约为4），所选对象的一系列优良

特性为实验测量结果的准确性提供了保证。

（2）实验器材准备：

①短波脉冲雷达一台（电量充足、配备网络连接线）；

②NoteBookPC一台（安装有CPRVIEW软件）；

③数码相机一部；

④数据记录表格等。

（3）熟悉雷达及GPRVIEW软件的使用：

①通过网络连接线将雷达和电脑连接，检查连接状况是否完好；

②将雷达开启预热15至25分钟已达到较好的工作状态。

③打开GPRVIEW软件，根据实验测量对象（本实验为石碑），

合理地设定采样频率、采样点、介电常数等参数，选择合适

的工作窗口；

④检查工作状态，确认无误后开始测量。

2、实际测量工作

（1）测量开始，一名队员手持雷达沿石碑长度方向缓慢移动，一名队员在一旁辅助；

（2）与此同时，另一名队员在电脑终端获取测量图像，并适时截取和保存实验图像，一名队员在一旁记录数据，填入数据记录表格，并作简单分析确定是否要重新实验；

（3）重复测量并保存获取的图像，以便排除偶然性对实验测量结果的影响；

（4）用米尺粗略测量石碑厚度作为石碑的实际厚度，将雷达测量数据与实际厚度相比较，分析误差产生的原因；

（5）汇总实验数据，整理实验设备，清理实验场地。

四、原始数据采集

ε=7

回波条数

50

150

220

300

465

576

t1

3.55

3.62

3.68

3.70

3.73

3.75

t2

13.12

13.15

13.25

13.34

13.40

13.48

△t

9.57

9.53

9.57

9.64

9.67

9.73

h（cm）

41.014

38.571

41.014

41.314

41.442

41.700

五、数据处理与误差分析

相对误差=绝对误差/真值

绝对误差=测量结果-真值

ε=7

回波条数

50

150

220

300

465

576

t1

3.55

3.62

3.68

3.70

3.73

3.75

t2

13.12

13.15

13.25

13.34

13.40

13.48

△t

9.57

9.53

9.57

9.64

9.67

9.73

h（cm）

41.014

38.571

41.014

41.314

41.442

41.700

绝对误差

3.514

1.071

3.514

3.814

3.942

4.200

相对误差

0.0936

0.0286

0.0937

0.1071

0.1051

0.1120

A类不确定度

0.0713

B类不确定度

0.0647

平均值

40.843

标准差

1.143

六、实验结论

经过实际测量得出大理石的实际厚度为37.5cm,经过误差分析看出，实验所得出的结果与实际测量值相差不大，所以该实验取得较为理想的效果。

七、心得体会

这次的实验跟我们以前做的实验不同，因为我觉得这次我是真真正正的自己亲自去完成。

所以是我觉得这次实验最宝贵，最深刻的。

就是实验的过程全是我们学生自己动手来完成的，这样，我们就必须要弄懂实验的原理。

在这里我深深体会到哲学上理论对实践的指导作用：

弄懂实验原理，而且体会到了实验的操作能力是靠自己亲自动手，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。

在实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。

培养这种能力的前题是你对每次实验的态度。

如果你在实验这方面很随便，抱着等老师教你怎么做，拿同学的报告去抄，尽管你的成绩会很高，但对将来工作是不利的。

还有，我们做实验绝对不能人云亦云，要有自己的看法，这样我们就要有充分的准备，若是做了却还不知道是个什么实验，那么做了也是白做。

最后，实验总是与课本知识相关的，我们必须回顾课本的知识，知道实验时将要测量什么物理量，写报告时怎么处理这些物理量。

附录

参考文献

1.超宽带雷达

【作者】 JamesD.Taylor； P.E..； 陈红；

【机构】 AFSCElcctronicSystemsDivisionHanscomAFBMassacbusctts.； AFSCElcctronicSystemsDivisionHanscomAFBMassacbusctts.；

【摘要】 超宽带雷达采用的信号带宽大于中心频率的25％。

常规无线电和雷达信号的带宽通常小于中心频率的1％。

采用超宽带信号提供的距离分辨力小于大多数军事目标。

超宽带冲击脉冲信号通过谐振特性可提供目标成像和目标识别的能力。

借助于复杂的接收机和信号处理技术,采用超宽带信号雷达还可获得其它一些能力。

本文讨论超宽带雷达,并与窄带系统进行了定性比较。

2超宽带雷达的发展、现状及应用

Development,State-of-the-artandApplicationsofUltra-WidebandRadar

【作者】 李海英； 杨汝良；

【Author】LIHai-ying,YANGRu-liang（InstituteofElectronics,TheChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China）

【机构】 中国科学院电子学研究所!

北京100080；

【摘要】 超宽带雷达以其高距离分辨率、强穿透力、低截获率与强抗干扰性在军事、商业、环保等领域得到日益关注。

本文综述了超宽带雷达的发展历史,结合国外实际超宽带合成孔径雷达系统阐明了超宽带合成孔径雷达的现状,并深入探讨了超宽带雷达的特性及其应用前景。

超宽带雷达经过几十年的发展仍存在一些值得深入研究的问题,本文简要分析了部分技术难点,指出了超宽带雷达今后的发展和应用方向 

【Abstract】 Ultra-Wideband（UWB）radar,wellknownforitshighrangeresolution,powerfulpenetration,lowprobabilityofinterceptandrobustjammingimmunity,ispaidmoreattentionbymilitaryrequirements,commercialusageandenvironmentprotection.Thefoliagepenetration（FOFEN）radarandgroundpenetrationradar（GPR）areprominentmilitaryapplicationsofUWB.TheFOFENradarisusedtodetectlargetacticalvehicleshiddeninforestedareas,andGPRmainlytoseeklandminesandunexplodedordnance（UXO）.SyntheticApertureRadar（SAR）,notedforitshighazimuthresolution,inconjunctionwithUWBtechnology,willimproveitsrangeresolutionwithsub-surfaceimagingcapability,soUWBSARcanproductveryhighresolutionimageforbothnationaldefenseandremotesensing.\;First,thedefinitionofUWBisputforward,thenthehistoryofUWBissummarized,andthestate-of-the-artofUWBSARisillustratedbysomeexamplesofpracticalUWBSARsystems.Furthermore,somecharacteristicsandapplicationsofUWBradararediscussed.Inpastdecadeyears,somedifficultissues,whicharenotresolvedyet,arelisted.Inconclusion,thetrendsoftechnologyanditsapplicationsaremadeclear.

3超宽带雷达关键技术研究

ResearchontheKeyTechniqueofUltrawidebandRadar

【作者】 黎海涛；

【导师】 徐继麟；

【作者基本信息】 电子科技大学，电路与系统，2000，博士

【摘要】 超宽带（UWB）雷达是一种新体制雷达，它的信号带宽很宽，具有高距离分辨率（HRR），在雷达探测、成像、精确定位、目标识别等技术中得到广泛应用。

本文主要以超宽带技术为线索，围绕超宽带雷达研究领域的一些主要关键技术，如目标建模、信号处理、接收机设计以及超宽带信号在通信中的新应用等方面展开研究工作，取得了有应用价值的成果。

1．建立起完整的超宽带雷达回波模型式和对回波信号进行仿真。

针对UWB雷达的建模研究不完善，研究UWB雷达的目标回波建模。

在UWB信号照射下，不同类型散射中心的散射强度与频率有关，目标冲击响应在时域上除表现为冲击脉冲外，还有别的函数形式。

把文献中的一些UWB雷达模型式推广，得到一般的模型表达式，该模型式全面反映了超宽带雷达散射特征。

在此基础上，对UWB线性调频信号的目标回波进行仿真。

得到早期响应回波。

根据文献对UWB雷达目标冲击响应的数学近似描述，在目标散射中心分布设定的条件下，研究了线性调频、相位编码和冲击脉冲三类常用超宽带雷达信号的目标回波建模。

2．推导出超宽带雷达方程和研究了不同信号处理方式对信号分辨率的影响。

这两个方面涉及到UWB雷达系统的性能... 

【Abstract】 Ultrawideband（UWB）radarisanewtypeofradarsystem,andithashighrangeresolution（HRR）becauseofbroadbandwidth.Thus,UWBradarhasextendedapplicationsuchaspassivetargetidentification,preciseposition、targetimaginganddiscrimination.FollowingthemainclueoftheUWBtechnique,WeexpandourresearchworkenclosingsomekeytechniquesinUWBradar,suchastargetmodeling.,signalprocessing、widebandreceiverandtheapplicationofUWB