基于探地雷达的芦笋探测外文翻译资料

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基于探地雷达的芦笋探测

Daniel Seyfried ,Joerg Schoebel

Department for High-Frequency Technology,Techische Universitat Braunschweig, Schleinitzsfrabe 22, 38106 Braunschweig, Germany

摘要：

探地雷达是用于探测地下被埋物体的一种先进技术。最近，雷达已经越来越被认为是可以为各个领域提供好处，因为雷达可以提高行动的效率。其中一个领域是工业化自动收割芦笋，这在一定成都市可以切割土垄到一定高度，包括芦笋的嫩芽，然后把嫩芽筛除出土地外。然而，要切割土地的高度是一个重要的参数，一个错误的值会导致芦笋根的损伤或者会由于过多的生物量残留在土壤里导致芦笋产量的减少。

在这篇文章里，我们采取一个新方法，利用探地雷达这种无损伤的探测来获取最佳的切割土壤的高度。因此，芦笋嫩芽的最大长度能被获取，同事能保证根不受损害。我们从雷达数据中提取信息来进行雷达系统和雷达电子信号处理步骤，这可以被放入一些收割装置设定最佳收割高度。

1.引言

探地雷达是一种利用电磁波对被掩埋物体进行无损探测的一种先进技术。因此，探地雷达可应用到很多领域。传统来说，探地雷达可用于探测未被探测的军械库和矿藏，同时也可用于考古学探测以及埋藏在地下管道和电缆的探测。对环境参量的探究也是一个研究领域，在过去的几十年来，有很多研究结果（Yarovoy,2009;Daniels,2007;Peters,Daniels,and Young,1994;Seyfried,Buche,Janning,Schmidt-Thieme,and Schoebel,2012）。探地雷达更多作为常用技术应用在检查房屋柏油层中的破裂和桥梁以及检测混凝土的强度。

探地雷达一项完全新的应用实在工业收割芦笋。芦笋收割传统上是人工以及劳动密集的过程，现在芦笋首歌逐渐变成自动的方式。为了方便，图像1展示了几个月大的芦笋。芦笋的根系向下向旁边生长，并且展示在其顶部的称之为根茎。从这些根茎开始，芦笋的嫩芽向上生长（尽管它们也许会倾斜而不是直直向上），它们通过脊状型床的支持在生长季节机械地形成。在自动收割过程中，芦笋的整个土层会被合适的切割机移除，只剩下根茎覆盖在土上。芦笋的嫩芽会被连同周围的物质一起切出。芦笋嫩芽然后被筛除出土壤，然后会直接被典型的形状改造成单一的工作过程。

然而，切割机在收割过程中不对芦笋根茎进行损伤是十分重要的，否则独特的植被会丢失。当单一种的植物种植十年甚至更久是特别不利的。因此，考虑到对芦笋种植的典型检查，切割水平被设定为修正数值考虑到大量足够的距离。然而，不同的植物有不同的长势，因此，它们根茎会不同，同时，空间上覆盖整个芦笋地，时间上从季节到季节。再次，两个对立的趋势需要考虑。一个大的安全距离，在一方面，减少由于损伤植物造成的损失。另一方面，这会由于芦笋短的嫩芽造成产量减少。

通过正确的雷达测量方法来探测芦笋根和根茎的顶部是为了产生轮廓图的控制信号。通过这个信号，切割机调整为一个最佳的切割高度，这会使产量最大化。这篇文章，我们论述了我们的方法是通过对芦笋切割切割深度的探究，来推断控制信号。一方面，利用一个正确的雷达系统，尤其是拥有足够带宽的雷达天线通信频率响应，是非常重要的。在另一方面，电子信号的处理中，在记录的数据中提取足够的实时的信息是将这种方法应用到现实世界的需求。所有的物体会在文章中被提到，并且探测结果也在我们的研究中取得。

为了研究点差，我们建立了自己的芦笋实验床，这在第二节中展示。在第三节中，展示了我们的脉冲雷达系统天线用于我们的调查。在第四节中，雷达测量展现了我们芦笋实验床是被展示和评估的。在第五节，我们展示了一种应用物质参数来进行在线的土壤探测的方法。在第六节，我们通过在雷达数据中提取雷芦笋的深度信息来展示了电子信号处理技术。在第七节，我们对文章进行总结。

图 1带有根的芦笋和从根茎上长出的嫩芽

2.准备芦笋实验床

为了探究和测试雷达系统和相应的电子信号处理算法，对探测方案有个先验知识的了解来排除关于预期结果的不确定性是十分重要的。为了我们的研究调查，我们建立了我们的芦笋实验床，这是9米长的，芦笋种植在土地里确切的位置，这会在图二展示，而图三展示了芦笋实验床的交叉部分。图三包含了明确的切割高度，这是在雷达中探测出的重要参数。

在准备沙质土壤厚度为0.2hellip;0.3米后，12个月大的花冠放在足够大的洞里，这在图4a展示了。在图4b中，空间跨度为x=0.3hellip;3.6米，每株植物每隔0.3米放置在场地里。这个空间展示了芦笋种植过程。在图4c中展示了，在场地里剩余的长度中，距离为1米的相邻的植物被选中，在x=4.0m处开始。在这些大的间隔，可以用雷达测量调查单株植物的影响。在x=5.5米处，一个金属物品放置于地表用于对比参考。最终，被切割的在植物上的土壤高度大约是0.50hellip;0.55米。最后的芦笋实验床在图4d中展示。

图 2图解说明（俯视情况下）芦笋在芦笋实验床确切的位置。参考物体位置在x=5.5米处。参数值在芦笋实验床会不同：b1=0.35hellip;0.4米，b2=0.6hellip;0.7米。

图 3图解说明（交叉部分）芦笋在芦笋实验床确切的位置。参数值在芦笋实验床会不同：b1=0.35hellip;0.4米，b2=0.6hellip;0.7米，h=0.5hellip;0.55米。规定的切割高度也在图中说明

3.雷达系统

对于将探地雷达用于物体探测，发射和接收展示了足够大带宽的雷达信号因为不同的雷达系统的分辨率探测，这是十分重要的。这是在目前研究中重要的参数，因为芦笋的种植位置需要尽可能的精确。因此，雷达信号源需要提供合适的光谱覆盖。雷达天线用于发射和接收必须要在合适的频率响应内，这会允许发射和接收选择所有频率组成的雷达信号。当然，由于土壤的低通特性，上面的中止频率自然会存在。

脉冲雷达系统用于探测芦笋，这包含了单核细胞脉冲发生器用于发射部分。这个电子脉冲发生器被调整用于产生脉冲宽度大约在1.5纳秒的脉冲，脉冲重复率大约在一百万赫兹，振幅峰值在16V。短的脉冲导致光谱覆盖位于频率0.2hellip;2.0兆赫兹，总带宽是1.8兆赫兹。在雷达系统的接收部分，接收信号被采样于示波器。脉冲发生器部分，脉冲的分析和频率范围以及采样示波器在其他地方详细介绍（Seyfried and Schoebel,2015b）。

电磁波天线用于发射和接收，这提供了低的和高的中止频率，大约是0.2兆赫兹和4.5兆赫兹。这个有着长边且139微米延伸的平坦结构，与此同时保留了足够的带宽。这个天线，因此，为探地雷达探测提供了最佳的情况。发射和接收天线展示了一个合适的吸收堆，是为了确保辐射在天线前半部分出于优先状态，并进入地下。防护减少了相邻放置的发射和接收天线之间的连接，并且不愿意来自地上环境的反射。相同类型的吸收堆被用于大规模的天线探测，先前是在用探地雷达进行管道探测中的最佳方法。更多的天线信息可在别处获取。

图5展示了天线被命令为一个框架，这允许任意位置的天线要素关于它在芦笋实验床纵向的空间位置和方向。通过后面的极化可以被控制。框架会被建立在轨道固定的电脑控制的齿轮传动的平台，这也能运作雷达系统的其他部分，尤其是脉冲发生器和采样示波器。每个接收路径，放大率在 25dB 会被应用在信号，是为了说明信号丢失和为了达到对周期信号最好的探测容量。

图 4芦笋实验床的建立过程

4.雷达测量

雷达测量被用于展示特定空间位置，处于芦笋实验床的纵轴由于合成孔径雷达准则，也就是说，位于特定的空间位置，脉冲发射进入土壤，然后信号被示波器记录。所有的A扫描记录在后来的位置，水平位置上落后于B扫描，也被称为雷达图像。在雷达图像中，有限的物体通常以反射双曲线。

因此，对研究物体做一个电介质对比值非常重要的，比如，芦笋以及周围的媒介比如土壤。然而，芦笋基本上由水组成，介电常数约等于80,，与之对比，芦笋实验床的土壤通常不湿润，因为根到达数米深的地下或者滴灌的使用，这不会对芦笋上方的土壤造成影响。因此土壤的介电常数通常会低于芦笋的介电常数。因此，我们给出了足够的关于土壤和芦笋的对比。

由于从三面对土脊几何学的获取，很多发射和接收天线的定位变为可能，这将允许从多方面的电磁波传播路径进行选择。在每种情况，就像图五展示的，各种天线可以在顶层表面进行定位，这在探地雷达测量情况下等同。然而，天线可放置在土壤的同侧或异侧，或者一个天线位于土壤上，一个位于土壤旁。土壤几何上的获取允许构建一个完整的天线阵列在表面的周围，然后允许图像处理方法，是为了重建土壤量。然而，这证明了尽管天线安排的不同，最著名的天线建立是天线在顶层表面上彼此相邻，这给出了最佳结果。这是因为时间的流逝在特定的反射，可以被直接转化为垂直距离（根茎的深度信息）。另外，通信实验建立展示了一种十分经济的方法关于硬件以及信号处理。因此这个报告专注于天线安排。

图六展示了根据芦笋实验床过程模拟的雷达图像。芦笋被视作位于0.5米地下的点，此时土壤，介电常数为5，天线束的孔径角为45°。每一个A扫描，脉冲发生器的原始脉冲形状被用于展示完整的光谱覆盖，这从来源可以提供。因此，这个模拟表明了一个可获取分辨率有一个顶端限制，因为通常脉冲宽度会变得更宽由于来自被掩埋在地下的物体反射缺少在特定反射信号的更高频成分。明显，因为芦笋种植彼此接近，所有反射双曲线的峰值完全来自一些主导性的反射层而不是可分辨的单一特征。在实际测量中，可靠的反射性被更加期待由于点散射体假设是一个非常粗糙的模型，因为每种植物有相当的空间范围。由于连续的生长的植物根变得交叉存取，因此，有效的雷达交叉部分在增长。与之对比，模拟结果表明的实验区稀少地种着植物（x=4.0hellip;9.0米），单一的反射特征会被期待。

除了剩下的贡献由于直接的地物反射，以及在垂直的时间范围内的天线结合（大约在垂直位置t=2.0纳秒），位于垂直位置上t=13.5纳秒出，第二占优势持续的水平方向的反射特征被找到。后面的出现了，是因为来自芦笋实验床建立过程的媒介交界处，在准备沙质土壤时，原始的土壤被移除至深度在0.2hellip;0.3米处来重新填埋。因为地面交界处缺少压缩的土壤，形成了芦笋的好的雷达反射。这个反射原因会减少或消失，当土壤变得更加紧实。

图 5我们利用雷达系统在芦笋实验床对芦笋进行的探测计划

图 6通过模拟得到的芦笋实验床的雷达图像

5.物质特性

为了绘制雷达图像（在图7a中展示）上垂直位置上的反射特征，对介质的介电常数有所了解是十分重要的。通过参考物理，土壤的介电常数可以预估为：

t_vert,r和t_vert,c分别是反射物体和连接处的反射峰的垂直位置，h是土壤的高度，c是光速。公式（1）预估了上文被提到的值，对于干燥土壤和沙地，这是合理的范围。雷达应用的介电常数统计值可用于把持续时间转换为两种距离。或者介电常数值在跟随的位置上探测。后者的优势是物质特性的本地变量包含在了公式。

当位于实验室的对物质特性的探测技术非常著名，因为介电常数的探测是需要的。这在计划中可以通过秒级雷达系统实现，利用了调频连续波雷达（stepped-frequency continuous-wave,SFCW）。后者可通过矢量网络分析仪实现，并且提供了优越的雷达测量在发射以及反射。与此同时，这提供了足够的动态范围，为了探测弱信号。如图8所示，两个天线连接到矢量网络分析仪，以及放置在土壤的旁边，孔对孔的距离已知。

当单独的在两个天线的A扫描测量和应用了合适的信号处理，这个波需要在天线之间的运动。通过在两个天线之间的传输测量，可以预估出雷达数据中的波在天线和土壤之间传输的持续时间。使用变量来定义传输时间。

图 7(a)通过对芦笋实验床实际测量得到的雷达图像，(b)根据相同相位算法的雷达图像

图 8图解说明通过两个沿土壤形状横向放置的连接着矢量网络分析仪的天线进行的介电常数探测方法

6.高度外形的测量

雷达图像在图7a中所示，是一个不错的对芦笋位置探测的方法。然而，提取特定的在水平位置上反射的垂直位置，位于特定的位置，需要先进的电子信号处理，因为雷达数据的预估包含了低对比度的振幅。这个在探地雷达数据中低对比度的反射特征是一个著名的难题，这让预估雷达数据变得困难。这种情况下，需要实时的对记录数据的预估。最佳，我们推出了一种基于相同相位的双曲线鉴定的探地雷达数据方法。相同相位是边缘探测算法，这是独立的以为它能预估数据的频率域内容，而不是时间域的内容，是为了辨别图像特征。因为每个像元的相同相位提供了值范围在0hellip;1。相同相位在预估探地雷达数据中表现出色。因此，相同相位被应用在对芦笋的探测，强调了水平方向上的特征，在B扫描数据中，为了辨别水平方向上的特征出现在芦笋图像上。对相同相位的详细评论超出这篇文章的范围，但更多的信息关于相同相位以及他的准则可以再上述研究中探求。在任何例子中，利用相同相位允许快且可靠的对雷达数据的预估归于芦笋的反射特征

应用相同相位到雷达图像从图7a然后保留重要的像元，产出结果在图7b。对相同相位计算时间为了整个雷达图像在10米长少于20秒在标准的电脑。在这个图像，三个主导性的贡献可以清楚地辨别：水平位置的反射特征由于直接的地面反射和天线联结，预期反射因为芦笋种植，以及反射特征由于土地和植物的介质交界处。因为水平位置反射通常出现在优先时间部分，垂直位置反射特征能被合适时间范围内提取。因此，提取每个位置范围的垂直位置上的第一个出现在t大于等于7纳秒出，在图10描绘出。显然，由于原始雷达图像在水平位置反射特征在x=3.0米处的畸变，相同相位的结果出现了畸变，这导致

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