无人机上的实时采样脉冲探地雷达

原文发表于领英。

脉冲探地雷达技术已有 40 多年的历史，它的历史是在地表附近从模拟域到数字域的方式。探地雷达从地表升空，花费了很多功夫。这条路上有很多障碍。最主要的是探地雷达信号的频率相对较高，迫使天线尽可能靠近地面，以消除从地面到空气的发射能量反射。另一个是空中无线电噪声，随着 GPR 从地面升起，它获得的噪声水平越高。低空飞行可以提供帮助，但对于有人驾驶飞机来说，这是一项危险的任务。无人驾驶飞行器（无人机）的发展为迎接地球物理有效载荷带来了巨大的可能性。

我们试图从低频开始，显然，我们希望通过这种天线获得有用的结果。我们使用安装在无人机 DJI M600 Pro 上的 GPR 获取的第一个有用数据。这是一种频闪双基地设备，具有非屏蔽天线和 150 和 75 MHz 的可变偶极子。它批准了 GPR 在无人机上使用的能力，但一些特性，如它的重量 4.5 公斤和无人机制造商的限制，指定需要更轻和更小的 GPR。

影响 GPR 天线尺寸和重量的主要因素是它的长度，它必须与其频率和天线配置相对应——是双基地还是单基地。传统的双基地配置包含发射和接收天线，但单基地设备只能使用一个天线，其中天线交替用于发射探测信号和接收反射回信号。基于较小尺寸的无人机低频探地雷达单基地配置的最终选择。 

脉冲 GPR 的主要目标是生成发射脉冲并接收反射回来的信号。反射信号从接收天线偶极传播到用户的输出设备。这种方式一开始是完全模拟的，但是模数转换的点慢慢从用户端转移到了天线端。这段激动人心的历史中最长的时期被频闪采样技术占据。频闪技术需要在迹线的每个样本上触发发射器以将其数字化。它在时间过程中缓慢且昂贵，因为设备花费大量精力来获取一个样本。这种技术现在仍然有效，但一种新的替代方案已经在商业上得到认可。这是一个实时采样。它有助于在天线侧将模拟信号数字化，无需使用任何其他接收电子设备。它的主要方法是将模数转换器直接连接到接收天线的偶极子，并极大地提高 ADC 转换器的时钟速度。它为扩大动态范围和加快 GPR 移动速度提供了很多机会。高数字信号流量正在转换为高堆叠（高达数百、数千和数万倍），这使信噪比有了飞跃。

让我们比较一下单稳态配置中两种技术获得的数据。这些数据是在没有无人机帮助的情况下在同一个测试现场采集的，靠近地面20厘米的高度。在数据采集过程中记录了相同的环境条件。两个数据集都应用了水平高通滤波器。收益也是一致和相等的。可见，与右数据相比，左数据没有足够的动态范围，增益增加只会产生信号削波和高频噪声。但正确的轮廓仍然有足够的范围来增加增益并查看更深的信号。空气噪声的量随着天线的抬起而增加。它指导了无人机上使用的单站实时采样探地雷达的发展。可变偶极子原理允许天线频率在飞行之间变化，而无需从无人机上拆卸设备。

我们为此任务准备了测试站点。沙地植被低，埋藏物不同：污水50mm充气管、污水50mm充水管和金属墙面型材。

无人机飞行就在物体的中心。此外，实时采样单站500 MHz探地雷达用于采集与地面接触的数据，以获得精确和详细的现场剖面作为参考。该系统有助于可视化所有三个物体和沙质试验场剖面的结构。这三个物体都由500 MHz天线检测到，并标记在图6.a中。由于管道直径较小，充气污水管“a”的信号最弱，正如预期的那样。下一个是多双曲线反射，它对充水非金属管道更具特征，并与沙质试验现场的充水塑料管道相吻合。反相强反射属于金属壁剖面。

在相同的50厘米高度以300和150 MHz的频率获取的无人机剖面图。由于单基地配置，无人机的数据需要处理，切换到接收模式后会发出振铃，这是发射脉冲对天线激励的残留。两个数据集都应用了水平高通滤波器。结果表明，该方法仅检测到两个物体：充水污水管和金属型材。充气管由于直径小和反射信号弱而不可见。可见界面与两个机载剖面上的500 MHz数据一致。分辨率随着天线中心频率的下降而下降。

最后，作为结论，我想介绍我们在泥炭试验场获得的另一个数据集，在那里我们也从无人机那里获得了磁力计数据。正如你所看到的，这个遗址是上个世纪泥炭上层挖掘的结果，当时泥炭加工厂在里加市附近的这个地区工作。

数据组合是在Geolitix软件的帮助下完成的。它为我们提供了良好的结果，我们可以专注于两条双曲线，这两条双曲线与磁强计（Sensys Magdrone R3）网格数据上标记为“d”和“e”的最大值相吻合。这些物体尚未被挖掘出来，但这种重合向我们展示了在航空性能中使用实时采样GPR的可能性，即使在泥炭地区这样复杂的地方也是如此。

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