孫東風(fēng)

（北京歐華聯(lián)科技有限責(zé)任公司，北京102200）

由于傳統(tǒng)的地面探地雷達(dá)天線大多采用采用地面耦合天線，這在地形條件不好（如植被比較茂密、水面測(cè)量）或測(cè)量人員無(wú)法到達(dá)條件下實(shí)施困難。近年來(lái)瑞典Radarteam 地質(zhì)雷達(dá)公司成功研制出COBRA 無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)天線。該天線采用空氣耦合技術(shù)，具有體積小、重量輕等顯著特點(diǎn)，為無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)應(yīng)用提供了必要的使用條件。基于COBRA無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)以上優(yōu)點(diǎn)探討未來(lái)無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)的應(yīng)用前景及展望。

1 方法原理及應(yīng)用

地質(zhì)雷達(dá)：利用超高頻（106-109Hz）脈沖電磁波的反射來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)分布的一種地球物理探測(cè)方法[1，2]。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是一種先進(jìn)的測(cè)試技術(shù), 是近十余年發(fā)展起來(lái)的地球物理高新技術(shù)方法,以其分辨率高、輕便、定位準(zhǔn)確、快速經(jīng)濟(jì)、靈活方便、剖面直觀、實(shí)時(shí)圖像顯示等優(yōu)點(diǎn), 備受廣大工程地球物理技術(shù)人員的青睞[3]。現(xiàn)已在高鐵、高速路工程、地基探測(cè)、城市地鐵路基探測(cè)、城市地鐵路基探測(cè)、溶洞探測(cè)、湖水水深測(cè)量等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得了顯著的探測(cè)效果。

2 Cobra 探地雷達(dá)搭載無(wú)人機(jī)的可行性研究

瑞典Cobra 無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、控制單元、數(shù)據(jù)記錄器及探地雷達(dá)天線組成?；谝韵聨讉€(gè)方面對(duì)COBRA 探地雷達(dá)搭載到無(wú)人機(jī)可行性研究：

（1）由于Cobra 采用組合式天線，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，僅需要搭載重量＞6Kg 的無(wú)人機(jī)即可，目前的國(guó)內(nèi)外大多無(wú)人機(jī)(多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī))都能滿足這個(gè)搭載要求。

（2）采用空氣耦合，無(wú)空氣震蕩效應(yīng)?？梢噪x地面一定距離進(jìn)行測(cè)量，傳統(tǒng)的地面耦合只能在地面拖動(dòng)測(cè)量，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)為探地雷達(dá)搭載到無(wú)人機(jī)上提供了先決條件。

（3）采用實(shí)時(shí)采樣技術(shù)，等效采樣的探地雷達(dá)其極限探測(cè)深度為10 倍發(fā)射雷達(dá)子波波長(zhǎng)。由于Cobra 采用實(shí)時(shí)采樣技術(shù)提升了一倍以上探測(cè)深度，那么以常見的介電常數(shù)9 來(lái)計(jì)算的話理論上搭載SE-40 天線的探測(cè)深度應(yīng)該在40m 以上。對(duì)地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、逐點(diǎn)、順序采樣，即一個(gè)反射信號(hào)周期完成后，采樣的同時(shí)完成儲(chǔ)存，完全保證了地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)的真實(shí)性,高達(dá)每秒32000 疊加次數(shù)，大大的提高了分辨率及勘探深度。

綜合以上技術(shù)特點(diǎn)該探地雷達(dá)系統(tǒng)具備搭載到無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)要求。無(wú)人機(jī)地質(zhì)雷達(dá)裝置如圖1 所示。

圖1 COBRA 無(wú)人機(jī)地質(zhì)雷達(dá)裝置示意圖

3 無(wú)人機(jī)地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量技術(shù)要求研究

傳統(tǒng)的地面探地雷達(dá)測(cè)量時(shí)，需要考慮地雷達(dá)天線中心頻率、測(cè)線布設(shè)、測(cè)線定位、測(cè)試速率、電磁波傳播速度等幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。但無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)對(duì)測(cè)量技術(shù)有更多的技術(shù)要求。無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性、飛行速度、飛行高度、風(fēng)速都可能對(duì)測(cè)量結(jié)果好壞有一定影響。就上述幾個(gè)方面對(duì)無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)技術(shù)的要求進(jìn)行探討：

（1）飛行高度要求：一般要求無(wú)人機(jī)是盡可能低飛。當(dāng)飛行高度小于與探地雷達(dá)中心頻率相對(duì)應(yīng)的電磁波長(zhǎng)時(shí)，將獲得較好的測(cè)量結(jié)果。

如果測(cè)量區(qū)域有樹木或其它高大的植被，是否可以利用無(wú)人機(jī)地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量做了如圖2 測(cè)量試驗(yàn)。

圖2 45-50 米飛行高度采集的探地雷達(dá)結(jié)果

圖2 可以清晰的看到樹木和地表的反射，盡管測(cè)量區(qū)域有已知的洞穴存在但測(cè)量結(jié)果看不到任何有用的反射界面存在。

簡(jiǎn)單的公式可以用來(lái)計(jì)算建議的高度（或空氣中的波長(zhǎng)）以米為單位：

高度=300/[GPR 中心頻率為兆赫]

（2）飛行速度要求：主要原因是無(wú)人機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)。GPR 的天線體積較大，在高速飛行過(guò)程中由于受到空氣的阻力，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)飛行的不穩(wěn)定或者振蕩。如果使用DJI M600 Pro 無(wú)人機(jī)和Radarteam 的Cobra 插入式GPR 天線，最高速度為3m/s。為了保證獲得更好的數(shù)據(jù)質(zhì)量，建議飛行速度更慢，2m/s 甚至1m/s。

（3）風(fēng)速要求：無(wú)人機(jī)的振蕩往往會(huì)產(chǎn)生噪音甚至獲得無(wú)用的數(shù)據(jù)。風(fēng)速和陣風(fēng)是無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)飛行的限制因素，5 米/s以上的風(fēng)速會(huì)使無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性大大降低。建議在無(wú)風(fēng)或者風(fēng)速很小的條件下進(jìn)行測(cè)量。

（4）飛行測(cè)線設(shè)置要求：無(wú)人機(jī)雷達(dá)測(cè)量過(guò)程中在每條測(cè)線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，無(wú)人機(jī)都會(huì)加速和減速。在這時(shí)間段內(nèi)，無(wú)人機(jī)會(huì)稍微向前擺動(dòng)（在U 型轉(zhuǎn)彎后，會(huì)稍微向一個(gè)垂直方向擺動(dòng)）都將帶來(lái)一定的噪聲。要想獲得較好的數(shù)據(jù)需要把測(cè)量線延伸到指定的測(cè)量區(qū)域以外。使測(cè)量的超過(guò)測(cè)線長(zhǎng)度可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)估算：5mx[飛行速度]。例如，2m/s 的飛行速度的人使用10 m 以上的超測(cè)線長(zhǎng)度。這個(gè)距離將足以加速和穩(wěn)定無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)。

4 無(wú)人機(jī)雷達(dá)探測(cè)湖床實(shí)例

該測(cè)量實(shí)例利用DJI M600 Pro無(wú)人機(jī)搭載Radarteam SE-150 天線無(wú)人機(jī)地質(zhì)雷達(dá)系通進(jìn)行測(cè)量，在水面飛行高度3m, 飛行速度為2 m/s，使用帶有Mesa 記錄器并配置GNSS 接收機(jī)進(jìn)行野外實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，定位精度小于30cm。野外測(cè)量飛行線路如圖3 所示。

圖3 野外測(cè)量飛行線路圖

圖4 為無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)在某地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)測(cè)量結(jié)果可以清晰湖水水底界面的強(qiáng)反射層，通過(guò)已知點(diǎn)的湖水深度校正設(shè)置介電常數(shù)，可以準(zhǔn)確確定整個(gè)探測(cè)區(qū)域的水深。通過(guò)此次試驗(yàn)可以證明無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)應(yīng)用在水深測(cè)量中具有很好的效果。

圖4 2 號(hào)測(cè)線野外測(cè)量成果圖

5 結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用證明無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)可以解決很多地面探地雷達(dá)難以解決的工程地質(zhì)問題，無(wú)人機(jī)雷達(dá)探測(cè)速度更快，測(cè)量效率高，可以在任何地形條件下測(cè)量。如何解決無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性、避免無(wú)人機(jī)飛行帶來(lái)的干擾、無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，如何建立地面與無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)實(shí)時(shí)傳輸并成像等工作。還需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)和大量的研究工作，無(wú)人機(jī)探地雷達(dá)未來(lái)具有很好的應(yīng)用前景。