时间：2023-01-18 22:07:51
英文名称：Radar Science and Technology
主管单位：信息产业部
主办单位：中国电子科技集团公司第38研究所;中国电子学会无线电定位技术分会
出版周期：双月刊
出版地址：安徽省合肥市
语
种：中文
开
本：大16开
国际刊号：1672-2337
国内刊号：34-1264/TN
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发行范围：国内外统一发行
创刊时间：2003
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关键词：雷达数据处理 跟踪滤波 仿真
中图分类号：TN953 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0070-03
1 雷达数据处理技术概述
雷达数据处理技术最早可追溯至19世纪初高斯提出的最小二乘法，其运用最小二乘法开创了用数学方法处理观测和实验数据的科学领域。之后对这种方法进行了不断的修改和完善，成为了现代滤波理论的基础。在现代雷达系统中，信号处理的检测解决的是有无目标存在的问题，而数据处理则是在目标已经存在的前提下，给出其参数估计。
作为雷达信号处理的后续处理过程，雷达数据处理将数据关联技术与现代滤波理论有机结合用于消除由杂波剩余等造成的虚假检测，改善雷达信号处理性能；根据雷达的测量值利用参数估值理论从大量雷达回波点迹中提取捕获目标点迹，进行点迹与点迹关联，进行目标航迹的建立及管理，确定目标的位置、速度、机动情况等参数；进行点迹与航迹关联、跟踪滤波、航迹维持，形成综合目标态势：进行目标航迹预测外推，调度系统资源对多目标进行跟踪监视，形成连续的目标航迹数据，向火控和武器系统输出高数据率目标指示信息。
2 跟踪滤波算法
跟踪滤波是雷达数据处理技术的重要组成部分，其主要功能是根据目标的实际测量信息实时估计目标当前的位置、速度等参数，并外推出下一次天线扫描周期目标出现的位置信息。该外推信息在跟踪雷达中用于检验下一拍测量信息的合理性；在搜索雷达中用于航迹的相关处理。常见的跟踪滤波器有α-β滤波器、Kalman滤波器等，根据不同的计算资源、需处理的目标数量、目标的不同动态特性、雷达精度要求等条件可选择不同的跟踪滤波器。
与Kalman滤波器相比，α-β滤波器的优点是算法较简单、计算工作量较小、容易实现。在本文应用中选用α-β滤波器，其对跟踪目标进行最佳线性无偏估计，并按航迹质量和预测误差改变滤波器的参数，实现自适应滤波。在混合坐标系下建立数学模型如下：
滤波方程：
其中：k为雷达的观测次数
表示滤波值；
表示外推值；
表示雷达测量值；
和表示和的一阶导数；
和为k时刻滤波器位置和速度的增益；
，。
滤波的外推方程：
、的获取采用工程上常用的经验公式：
其中，r为信噪比，C为大于零的常数。
3 典型航迹仿真
根据跟踪滤波算法建立的数学模型，选取几种典型的雷达模拟航迹在Matlab工具中进行仿真，进一步分析该滤波算法的精度。
选取的典型模拟航迹有：水平匀速直线运动目标、水平蛇形机动目标、高度方向上跃起俯冲运动目标。将得到的目标模拟航迹数据，通过直球坐标转换后在距离R、方位角A、俯仰角E上的数据中加入测量噪声作为滤波器的输入，测量噪声的标准差分别为距离40米、方位角0.04弧度、俯仰角0.01弧度。
3.1 水平匀速直线运动目标仿真分析
选取水平匀速直线运动目标的参数为：起始位置为（x0，y0，z0）=（60km，60km，8km），X、Y方向的速度均为500m/s，加速度为0，航路捷径为0，采样周期为2s。
水平匀速直线运动目标的俯仰角滤波曲线如图1、距离和方位角滤波曲线如图2、距离方位角俯仰角的误差标准差曲线图3。其中图3中的蓝色曲线为测量值与真实值之差，红色曲线为滤波值与真实值之差，从中可以看出，滤波效果明显，距离误差峰值、方位角误差峰值、俯仰角误差峰值基本减小了一半以上。
3.2 水平蛇形机动目标仿真分析
选取水平蛇形机动目标的参数为：起始位置为（x0，y0，z0）=（30km，30km，2km），转弯时角速度为0.1rad/s^2（相当于机动13g），半径为3000m，采样周期为2s。
水平蛇形机动是水平机动的一种，一般发生在近程和低空，而且比水平机动的机动性更大。水平蛇形机动目标的俯仰角滤波曲线如图4、距离和方位角滤波曲线如图5、距离方位角俯仰角的误差标准差曲线图6。从图6中看出，由于水平蛇形机动目标的机动更大，距离滤波误差较大，对方位和俯仰的滤波效果明显。
3.3 高度方向上跃起俯冲运动目标仿真分析
选取高度方向上跃起俯冲运动目标的参数为：初始位置为（x0，y0，z0）=（8km，8km，1km），利用峰峰高度2000，跨度100的正弦曲线模拟目标运动轨迹，最大机动约为10.5g。
高度方向上跃起俯冲运动目标的俯仰角滤波曲线如图7、距离和方位角滤波曲线如图8、距离方位角俯仰角的误差标准差曲线图9。由于目标作高度方向上的跃起俯冲运动，水平不机动，故在图7～9中距离和方位的滤波效果接近于水平匀速运动的目标。目标高度上机动和目标水平面上机动时，滤波算法对俯仰角滤波的效果都可以达到令人比较满意的效果。
3.4 典型目标的误差分析
运用蒙特卡洛方法，对上述典型目标各进行了50次仿真，将得到的误差标准差平均值整理得到表1。从中可以看出进入稳定跟踪后，滤波得到的距离值的误差标准差基本在20左右，方位角的误差标准差基本在0.015左右，俯仰角的误差标准差基本在0.0035左右。仿真结果证明，采用上述跟踪滤波算法的精度在可接受范围之内，满足数据处理的跟踪要求。
4 结语
本文介绍了雷达数据处理技术中跟踪滤波算法的基本原理，在跟踪滤波算法中选用α-β滤波器建立其在混合坐标系下的数学模型，用于实现自适应滤波；选取了典型的雷达目标模拟航迹在Matlab工具中进行仿真分析，验证了该跟踪滤波算法的精度在可接受范围之内，满足雷达数据处理的跟踪要求。
参考文献
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[3]陈强超，单雷达航迹滤波与卡尔曼滤波算法.信息化研究，2010.5.
关键词:雷达信号;处理机;显控;通信技术
雷达信号处理机在各种干扰波、信号的影响下，检测有效回波信号的关键。而且它还会影响到雷达定位的准确性。而处理机显控、通信技术对于雷达信号处理的正常运作有着非常重要的影响。可见，通过对雷达信号处理显控、通信技术进行研究有利于雷达性能的完善。
1雷达概述
雷达主要是利用电磁破探测目标，而后通过无线电定位方式，实现无线电探测、测距，并通过回波测定被探测目标的空间位置。就目前而言，雷达是一种定位功能较好，且应用广泛的电子设备，比如在气象、军事、航空等领域均有所应用。简单地说主要就是发射电磁波，进行目标探测、照射、接收回波、信息分析、确定位置等一系列操作。雷达最初产生于一站期间，由于当时技术条件的限制，其探测范围、精确性都存在一定的局限性。后来在二战中，得到广泛的应用，且技术也非常成熟，基本上能够实现地对空、空对空、空对地的探测。而后，随着科学技术的发展，脉冲跟踪技术也被应用在雷达中。这样雷达就能够进行跟踪探测。在二十世纪，微处理技术、光学探测技术也被应用在雷达系统中，从此雷达也走上了智能化、自动化的发展道路。
2雷达信号处理机显控技术
目前雷达设备种类繁多、技术水平高、应用范围广，按照用途可分为军用雷达、气象雷达、预警雷达等。典型的雷达系统主要由雷达发射机、天线、雷达接收机、收发转换开关、信号处理机、数据处理机以及终端显示等设备组成。其中雷达信号处理机主要就是进行杂波消除、提取目标信息等操作。而雷达的精准性和有效性主要与信号处理机显控有着直接关系。近年来，随着雷达接收采用数据的增加，信号处理机显控的工作难度也在不断提升。而且雷达处理显控也成为雷达领域的研究热点之一。通常，为了提高显控的有效性，修正误差，都是利用MAD抑制利用脉冲压缩处理技术，进行回波筛选，杂波处理，从而避免干扰波的影响。但是在实际应用中，由于模拟技术的不到位使得其杂波处理达不到应用的效果。如果对杂波进行划分，可以将其分为地物杂波、气象杂波等几种。不同的杂波波幅、干扰度都有所不同。即便如此，杂波也存在一定的规律特点。因而，为了尽可能地提高杂波的处理效果，可以不断改进滤波方式，从而有效抑制杂波，确保雷达信号处理机显控的精准性和有效性。比如，可以利用多普勒滤波器。这种滤波器能够有效提高显控质量，而且利用FIR进行滤波，还能提高滤波器的抗干扰性。另外，还可以应用MTD技术。这种技术主要就是利用窄带滤波器组的方式抑制杂波，从而有效提高信号处理机的使用性能，并提高雷达接收机的接收性能。相比于多普雷滤波器，这种技术的滤波效果更加明显。但是需要注意的是不同的技术手段具有不同的优点，其应用领域也各有所不同。为此，在选择雷达信号处理机显控技术应当根据雷达信号处理机特点、显控要求、杂波特性等来选择合适的技术手段，从而进一步提高雷达信号处理机的使用性能。雷达的应用非常广泛，不仅在军事用途方面有非常重要的应用，在飞机、船只等方面也有应用，而且在气象领域也有应用。在雷达通信过程中，发射机会先发射电磁波信号，而后由接收机接收信号，并由收发转换开关转送到天线，接下来再有天线将电磁波传播出去。这样一旦电磁波遇到障碍就会产生回波。回波再由天线接收，并由接收设备进行信号处理。但是从雷达的应用领域来看，其应用环境非常恶劣，极容易受到各种因素的影响，影响到雷达系统的通信性能。在回波接收之后，就可以根据回波延迟时间判断障碍物距离。其通用公式是：S=CT/2。其中方向探测主要就是利用天线的方向性，来测定其中的方位角、俯仰角。在速度测试方面也可以根据回波频率该变量确定，其应用原理是多普勒频移。但是为了尽可能的减少其它信号的干扰，保障雷达信号处理的使用性能达到最佳。在实际应用中，可以通过加强雷达抗干扰来提高雷达信号处理机的抗干扰性能。另外，在现代化背景下，为了提高雷达的稳定性，还往其中融入了数据处理技术、加密技术、组网技术、光电技术等多种先进技术。这样便能够进一步保障雷达通信的顺畅。以光电技术为例，在雷达系统的发射、接收、传输控制信号中都能应用。如在信号接收中，光电技术能够保证高频信号、中频信号幅度的一致性，并确保前者稳定转换后能够进行信号发射。在传输控制信号中，能够进化雷达固态组件，从而提高信号的控制效率和性能。另外，在新时期，雷达通信技术越加完善、成熟。比如微波光子技术。虽然在早期微波光子技术已经得到了应用。但是随着雷达应用的深入，微波光子技术也在逐渐改善。近年来，微波光子逐渐从模拟光传输功能演变为包括微波光子滤波、变频、光子波束形成等多种信号处理功能的综合能力。2016年，PHODIR小组搭建了一个雷达/通信双用途原型机，该原型机基于同一个天线和光子收发机完成雷达与通信信号的接收和检测。此外，DARPA和欧洲的第七框架计划（FP7）均开展了众多针对分系统和元器件层面的微波光子研究项目。由此可见，随着我国雷达行业的发展，雷达信号处理机显控、通信技术也会更加成熟、完善。因而，在信息时代，我国应当继续加大对雷达信号处理机显控、通信技术的研究，从而进一步提高雷达的使用性能，使其应用领域更加广泛。综上所述，虽然雷达检测不受地形、天气等因素的影响，能够应用在各种复杂的领域中。但是随着雷达逐渐数字化，对信号处理机的要求也在逐渐增高。因而，在实际应用中，为了保证雷达的使用性能，应当重视利用现代化科学技术，提升信号处理显控、通信功能，从而真正提高雷达的使用性能。
参考文献
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[2]陈兵.雷达信号处理机显控及通信技术探讨[J].电子技术与软件工程,2016(11):42.
关键词：林业资源调查；无人机；机载激光雷达技术；数据采集
20世纪80年代起，机载激光雷达技术逐步被应用到林业资源调查项目中。采用机载激光雷达技术可获取及识别三维坐标信息，实现对林业资源数据的动态化估测，尤其是在林分空间结构以及林木高度估测等方面表现出了良好的应用优势。经过多年发展，如今将机载激光雷达技术与无人机技术相结合，进而发展出无人机载激光雷达技术，相关技术具有操作方便、数据获取简单等优势，促使机载激光雷达技术在林业资源数据调查中得到广泛应用。因此，为更为深入确定林业资源调查中机载激光雷达技术的应用现状，以无人机载激光雷达技术为例，指出无人机载激光雷达技术的应用优势及不足，并说明未来应用前景，以期能够为后续机载激光雷达技术的发展提供一定参考。
1无人机载激光雷达系统的构成及工作原理
1.1无人机载激光雷达系统的构成
无人机载激光雷达系统主要由无人机、激光扫描仪、姿态测量和导航系统、数码相机以及数据处理软件等部分共同构成。无人机是无人机载激光雷达系统实施激光扫描作业时的空间载体和操作平台，其上可以搭载无人机载激光雷达系统所需的各种仪器设备，并且可以实现远程操作及控制，可有效降低数据采集时的能源损耗，降低林业资源调查的整体成本。通常情况下无人机载激光雷达系统所采用的激光扫描仪为数字化激光扫描仪，其是整个无人机载激光雷达系统的核心所在，可以通过激光扫描来获取地形地貌等三维空间信息。姿态测量和导航系统主要由GPS接收机、导航计算机、IMU惯性制导仪等设备共同组成，其中GPS接收机可以采用差分定位技术来获取无人机坐标信息；IMU惯性制导仪则可以获取无人机飞行过程中的飞行姿态，为激光扫描仪激光束发射角度及数码相机图像获取提供角度纠正支持[1]。为保障无人机载激光雷达系统的图像数据采集效果，应确保数码相机所获取的图像数据宽度与激光扫描仪的扫描宽度一致，所获取的图像数据经过纠正、镶嵌等一系列处理后，成为为林业资源调查提供重要数据支持的数字正射影像。激光扫描仪所获取的数据信息量相对较大，通常需要对相关数据信息进行预处理，此过程中所需软件为数据处理软件。
1.2无人机载激光雷达系统的工作原理
无人机载激光雷达系统在运作过程中会通过激光扫描仪主动向探测目标发射高频率激光脉冲，激光脉冲在照射到地物表面后会发生折射，进而被无人机载激光雷达系统接收。此过程中，无人机载激光雷达系统可以直接获取无人机距离地物表面的距离、坡度以及地物表面的粗糙度、反射率等数据信息，相关数据信息在经过数据处理软件分析处理后形成点云信息，即高密度三维空间坐标信息[2]。在GPS、导航计算机、激光扫描仪等系统设备的支持下，无人机载激光雷达系统不仅可以获取平面坐标信息，还可以获取地物的高程信息，并通过不同视角对相关三维坐标信息进行三维显示和量测，并采用数据处理软件获取三维坐标信息中所表达的地物表面积、体积等信息。无人机载激光雷达系统工作原理如图1所示。
2林业资源调查中无人机载激光雷达技术的具体应用
2.1单木分割
在无人机载激光雷达系统所获取到的点云数据足以识别出林分中的单木时，系统会根据林木种类的不同，采用不同的单木分割算法，对林分中的激光反射点进行有效点云数据分割。在完成点云数据精准分割后，采用数据分析软件进行分析处理，获取到林分中单木的树高、树冠、胸径等一系列数据信息。现有的单木分割算法大多是以冠层高度模型为基础，采用分水岭分割算法，将林分高点视作“山峰”，低点视作“山谷”，通过“水”对“山谷”进行填充，随着“水”填充量的额持续增加，不同山谷内的“水”也将会持续汇合，在汇合点出设置屏障，此片屏障便是分割结果[3]。在完成分割后，对单木进行自上而下分析，构建三维立体模型，获取单木的水平分布及垂直分布信息。某林木资源调查项目通过无人机载激光雷达技术所获取的数据信息如表1所示。
2.2树高估测
采用数据处理软件对激光扫描仪所发射的高频脉冲接触到树冠顶部和地面反射后所获取到的高程数据差进行计算分析，进而获取到树木的实际树高。树木树高作为林业资源调查的重要参数之一，其将会直接影响树木的质量和材积。在实际树高测量中，激光雷达系统所获取到树高估测数据主要分为样地水平和单木水平2种估测数据，其中样地水平估测数据还分为直接提取数据和间接提取数据，直接提取数据指通过直接数据获取的方式采集树冠顶部到地面的相对高度数据，间接提取数据则是通过构建树木冠层高度数据与激光雷达系统提取变量之间的相互关系来间接预估树木高度数据。
2.3叶面积指数
叶面积作为树木冠层结构的基本参数之一，其通常被定义为单位地面标记上所有叶片表面积的一半。在具体测量过程中，激光雷达系统会通过LAI（多种卫星遥感数据反演叶面积指数）反演，即通过激光扫描仪获取树木冠层物理常数信息与实测LAI指数数据来构建统计关系模型，进而根据模型对树木叶面积指数进行估测计算。相关物理数据可以间接反映激光扫描仪所获取点云数据在树木冠层中的分布情况，通常情况下，LAI指数与激光扫描仪所发生激光脉冲在树木冠层中的穿透和拦截情况有着直接关联，其中穿透指激光穿透指数，即激光雷达系统所获取到的地面点数量与所有激光点数量的比值；拦截指激光拦截指数，即树木冠层激光点数量与所有激光点数量的比值。
2.4郁闭度估计
林木郁闭度指林木冠层的垂直投影占林地面积的比值。通常情况下，林木郁闭度是林木资源采伐强度科学确定的重要指标因素，也是当前林木资源蓄积量估测的重要指标之一。此外，林木郁闭度还可以用于估算林分内激光反射数量与地面反射数量的比值。例如，当林木的郁闭度为100%时，说明林分内树木极为茂盛，内部没有开拓空间，不利于林下资源的生长；反之则表示林分区域开拓空间过多，需要继续增加林木资源量。从理论角度来看，对激光雷达系统所获取到的非地面反射点数量进行分析计算便可以得到林分中林木郁闭度，但想要保障此结果的真实性和有效性，还需要获取地面反射点数据密度分析数据。
2.5林分密度估测
所谓林分密度是通过已识别分析的树冠顶部数据进行预估分析后，获取到的单位面积内林木资源总数，林分密度的获取核心在于合理进行树冠分割。具体应用过程中，激光雷达系统会根据识别数据形成树冠高程模型，并以此为基础合理选择变化窗口在区域范围内进行最大值求解，将此过程中所获取到的最大值作为树冠顶部。常用的选择变化窗口形状为圆形状和矩形状搜索窗口，相关窗口的大小主要受树木高度的影响，树木越高，则搜索窗口的大小也将会越大，通过合理选择变化窗口的方式获取局部最大值，进而利用局部最大值预估区域范围树木总数，估测出林分密度。
3林业资源调查中无人机载激光雷达技术的应用不足及展望
3.1无人机载激光雷达技术的应用不足
结合当前实际来看，由于现有技术限制，无人机载激光雷达技术在林业资源调查中应用时仍然存在测量精度较低、样地布设工作量大、实际测量成本较高等不足。通常情况下，采用无人机载激光雷达技术对林木资源进行调查时，主要采用单株树法和样地法2种方法。采用单株树法调查时，获取的数据及预测精度较高，但对受主林层遮蔽的下林层树木的预测精度却相对较低，甚至会出现误测、漏测等情况，难以真正保障数据测量的精准性和有效性；采用样地法调查时，虽然测量效率相对较高，但预测精度低于采用单株树法时的预测精度。为有效提高无人机载激光雷达技术的测量精度，在实际测量前需在测量区域内设置多个样地，并安排专人对现场进行人工数据采集，之后根据采集数据拟合预测模型，编写数据处理程序，进而再将编写后的程序应用到具体林业资源调查过程中。由此可见，样地调查结果将会直接影响后续林业资源调查结果，而想要真正保障样地调查结果的有效性，必须加大样地调查工作量，促使无人机载激光雷达技术整体工作量大幅度增加。无人机载激光雷达技术更适用于实际规模较大的调查区域，由于样地调查、模型拟合、程序编写等诸多因素的影响，无人机载激光雷达技术的前期成本相对较高，若是在小面积调查区域使用，其分摊成本则会相对较高，而随着分摊面积的持续加大，无人机载激光雷达技术的实际分摊成本也将会持续减少。
3.2无人机载激光雷达技术的应用前景
利用无人机载激光雷达技术可以为获取高时空分辨率的空间信息提供更为有效的技术方案，此特征促使相关技术在诸多领域均有着良好的应用前景。其中在林业资源调查方面，利用无人机载激光雷达技术可领取垂直结构和水平结构的信息，为林业资源调查提供更为全面、有效的数据支持，不仅有利于推动林业资源调查的进一步发展，还有利于与其他技术手段相结合，构建出更适用于林业资源调查的新型技术手段。
4结束语
随着无人机载激光雷达技术的快速发展，如今无人机载激光雷达技术在林业资源调查中应用时所采集的地表点密度也在持续增加，单束激光脉冲所能够获取的反射数量也有所增加，进而促使系统可以获取更多的地表、地物信息。从林业资源调查项目实际需求以及无人机载激光雷达技术的不足来看，在未来无人机载激光雷达技术的激光脉冲发射频率和数据采集分辨率将会不断提升，进而促使无人机载激光雷达技术可以适用于不同地形、不同种类林木资源调查过程中。同时，无人机载激光雷达技术所构建出的三维虚拟仿真模型将具有更强的虚拟现实表达能力，相关模型的可靠性也将会进一步提升。在相关特点的支持下，无人机载激光雷达技术在林业资源调查中应用时所获取到的数据参数的精准性和有效性也会得到提升，最终获取到更为理想的数据成果。
参考文献：
［1］朱晓敏.浅谈无人机遥感技术在林业资源调查与监测中的应用［J］.南方农业，2020，14（20）：76-77.
［2］骆生亮.机载激光雷达技术在林业资源调查中的应用［J］.经纬天地，2020（2）：28-31.
摘要：对防雷达隐身技术的机理进行了阐述，分析了国外装甲车辆防雷达隐身结构技术的发展现状，以期为我国防雷达隐身结构技术的研究和应用提供技术支持。
关键词：装甲车辆隐身机理防雷达隐身结构
防雷达隐身技术，通常是指热防雷达波段的隐身。目标系统与背景由于对环境热能的吸收与释放存在差异，呈现一定的温差，同时由于目标与背景防雷达辐射能量的能力存在差异，因此通过防雷达探测仪、热像仪等先进探测装置，能够清晰地将目标与背景区分开来。通过改变目标的防雷达辐射率，可以有效地降低其防雷达辐射能量，减小目标与背景的温差，改变原目标特征信号，从而达到防雷达隐身的目的。
1.防雷达隐身结构技术情况
防雷达隐身结构技术主要采用隔热、降温、目标热惯量控制等技术手段，可显著降低目标的表面温度和防雷达辐射强度，大大减小了目标与背景防雷达辐射特征的差异，是实现目标的防雷达隐身最有效的途径之一。对坦克装甲车辆而言，发动机特别是排气系统的高温辐射是其在防雷达波段的主要暴露特征，为将高温效应降到最低，世界各军事强国在其地面武器装备上均不同程度地使用了防雷达隐身结构技术。
1.1 动力装置结构隐身
防雷达辐射具有明显的可探测特征，热成像装置能探测周围与车辆的温差，其防雷达线(其波段探测范围为3~5μm和8~14μm)随着车辆温度和辐射能量的变化而变化，因此，要合理改进坦克装甲车辆动力装置结构，降低防雷达信号，从而使防雷达探测系统难以发现，达到隐身的目的。
1.1.1 采用隐身动力舱。坦克装甲车辆的最大防雷达辐射源主要是发动机及其排气系统排放的废气。因此，要降低车辆防雷达信号，主要是要减小发动机及其排放废气的防雷达辐射。为解决发动机辐射问题，可以在坦克上安装效率高、热损耗小的发动机，如绝热陶瓷发动机，一方面提高了发动机的效率，另一方面也可降低坦克装甲车辆的防雷达辐射特征。改进发动机燃烧室结构，减少排气中的防雷达辐射成分。改进通风和冷却系统，降低坦克温度。采用了双层结构的发动机，空气在中间循环，对车体起到冷却作用。另外，针对动力舱上部的热辐射问题，可以采用保温材料将动力舱罩住，将空气送入其中，用以吸收热量，这种方法对热源跟踪式炮弹的探寻器具有一定的遮蔽效果。
1.1.2 合理布置发动机排气管。为减小废气给车辆带来的影响，一般发动机的排气口都设置在后部。例如英国GKN防务系统公司设计的“武士”2000装甲车辆，其废气排放系统设在车辆尾部，且装有消音器，炽热的发动机废气在进入消音器之前，先被吸入的外界凉空气冷却，然后才经消音器排出车外。但也有例外，如瑞典赫格隆公司制造的CV90步兵战车将排气管设置在前部，利用冷却发动机的空气冷却排气，从而降低动力舱的表面温度。
1.1.3 降低排气的防雷达辐射特征。纯净的热空气本身并不会被热像仪探测到，当其中带有粉尘或有热辐射物存在时，热像仪中就会形成图像。柴油机的废气中含有大量杂质，容易被热像仪探测到。同时，行驶车辆扬起的粉尘被排气加热后落到地面，可使车辆的运行轨迹在热成像仪中更加明显，因此应尽量减少排气中的杂质，降低排气的防雷达辐射特征。采用新型的雾化喷嘴，改善燃料的雾化状态，提高发动机的燃烧效率，提高燃油的燃尽率，一方面提高了发动机功率，另一方面降低了排气中的碳粒浓度等对防雷达辐射贡献大的成分，降低排气防雷达辐射。在燃料中加入可提高燃烧效率的添加剂，使排气的防雷达频谱大部分处于大气窗口之外，改变排出气体的防雷达频谱分布，避开探测器的响应频谱。在排气管上附加挡板以改变防雷达辐射方向，降低发动机排气温度。另外，一种新的混流降温措施将发动机冷却空气掺入到发动机废气中，以此来降低排放气体的温度。
1.2 行动装置结构隐身
装甲车辆行动装置中的橡胶元件与其他零部件的摩擦会产生热量，提高温度，这也是一个重要的热辐射源。为了减少橡胶元件的防雷达辐射，越来越多的车辆开始安装一种活动的附加裙边，以遮挡装甲裙板遮挡不到的轮胎或履带、负重轮。但附加裙边离地越近，在起伏地形下就越容易损坏。因此不可能低到完全遮挡住负重轮的程度。行动装置中的橡胶元件的冷却技术还处于研究阶段，迄今尚未有明显进展。就履带式车辆而言，有一个解决问题的基本方法，即避免使用橡胶元件。
1.3 其它装置结构隐身
合理改进炮塔的结构设计，更多的关联科研课题，研究扩大和发展其运用的范围，加强理论和实践水平，为激光防护的发展提供技术支撑。高能激光防护技术今后工作的重点:①加强调研工作，跟踪国外高能激光武器研制进展，开展激光对结构材料和光电探测器损伤机理、损伤规律的理论模拟和实验模拟研究;②在特定条件下，研究结构材料、光学窗口、光电探测器等损伤效应，评估综合杀伤效果;③研制和开发新型复合材料，提高防护能力;④积极创新激光防护手段，将新型材料运用于反高能武器的发展，将激光防护水平提升到一个新台阶。
2.结束语
高能激光防护手段是当目标遭到高能激光武器攻击时的最后防线，它随着激光技术的发展而发展，尽管这些手段目前还不成熟，实际效果也不明显，还没有一种十分有效的办法实现对高能激光武器的防护，激光防护技术的发展远落后于激光技术的发展。因此，积极开展高能激光武器防护技术研究具有十分重大的意义。
参考文献:
[1]许曼，何延眷. 卫星激光防护技术[J].现代防御技术，2001，29(6):43-46。
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关键词:雷达 多普勒 应用
中图分类号:P237 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0236-01
在我国的城市管理中,雷达技术的应用非常广泛。雷达是一种利用电磁波探测目标的电子设备。通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。雷达具有其它监控设备所不具有的优点,能时刻探测远距离的目标,且不受云、雾和雨的影响,并具有一定的穿透能力,是一种全天候、全天时的探测设备。
雷达虽然一开始是应用于军事方面,但随着技术的不断完善,现在也已经广泛应用于各种社会经济发展和城市管理活动当中,成为了人们时常生活的好帮手,大到军事指挥的机载雷达,小到汽车的防撞装置,我们都可以随处看到雷达技术的应用。而本文主要介绍雷达技术在城市管理中的运用。
1 雷达在天气预报中的作用
我国是一个自然灾害频发的国家,气象条件复杂、并带有很强的突发性。如东部沿海地区的台风、北方地区的雨雪天气和沙城暴,都给我国人民带来了严重的生命财产损失。而天气雷达则是监测预警突发灾害性天气最有效的手段。近年来我国天气雷达监测网的建设得到了长足的发展,在灾害性天气监测和预警方面已经发挥了重要作用取得了明显的社会经济和生态效益。
天气雷达主要是通过间歇性地向空中发射电磁波脉冲然后,接收被气象目标散射回来的电磁回波,探测400多千米半径范围内气象目标的空间位置和特性。在灾害性天气尤其是突发性的中小尺度灾害性天气的监测预警中发挥着重要的作用。我国自从20世纪90年代开始使用多普勒天气雷达以来,由于国际天气雷达技术发展的新趋势和国家需求的增长,我国确定了发展新一代多普勒天气雷达作为气象监测主导方向的思路,并制定了相应的多普勒天气雷达功能规格和标准。我国多普勒天气雷达采用全相参技术,在测定云和降水回波强度的同时,还可以有效获取大气风场和湍流等信息。多普勒天气雷达是目前研究云和降水物理学、云动力学,监测分析和预警中尺度灾害性天气最有效的工具之一。
常规的模拟天气雷达和数字化天气雷达只能探测气象目标的位置和强度,而由于缺乏气象目标的运动信息很难满足天气预报的需要。多普勒天气雷达则在探测气象目标的位置和强度、够探测这些目标中降水粒子的径向运动速度和速度谱宽等方面较常规雷达先进很多,可以得到大气风场和湍流等信息,并能监测下击暴流、龙卷风、热带风暴等突发性、变化性强的灾害性天气,是气象保障必不可少的装备。
2 雷达在城市交通中的作用
2.1 雷达在车辆测速中的应用
在我国城市交通中,超速是造成交通事故的主要原因,而测速雷达则是遏制汽车超速行驶的有效方式。测速雷达是利用多普勒效应原理来测定车辆速度的雷达,可以安装在汽车上,也可以固定在公路边上或手持工作。测速雷达的使用不仅使车速的测量更加准确,而且便于驾驶员和交通管理人员实时掌握和控制车速。
汽车雷达测速系统一般由测速、拍摄和图像数据处理三部分组成。测速部分基本上是由多普勒雷达构成,拍摄部分则采用高速相机并配以光补偿装置,图像数据处理有相应配套软件完成。雷达测速系统的工作原理可以具体表述为:雷达发射一个固定频率的脉冲波,当脉冲波接触到活动目标时,回波的频率与发射波的频率将出现频率差,称为多普勒频率,而根据频率差和车辆通过雷达监测范围的时间,可以计算出汽车的准确速度。如果车辆超速行驶,将触发相机拍照得到清晰的图片,经过图像数据处理,把相应的信息如超速路段,限定速度值、目标车速、超速百分比等各种信息合成到图片中,作为对驾驶员超速处罚的依据。从而有效抑制司机的超速行为。
2.2 汽车防撞雷达和侧视雷达
超声波防撞雷达是一种常见利用超声波测距的汽车雷达系统。其基本原理是经脉冲调制信号调制并放大处理后的超声波通过超声喇叭向外辐射,在碰到其它汽车、行人或障碍物反射回来。回波被超声波拾音器接收,经放大、检波、再放大后送到信号处理器,与脉冲调制信号进行比较,计算出脉冲延时所对应的距离,并送到距离显示器、声光告警装置和紧急制动系统,当该距离达到预置的减速或刹车距离时,执行机构自动控制汽车减速或刹车。
当汽车在行驶时,驾驶员单独利用侧视和后视反射镜观察侧面和后面的车况是无法全方位的观察到汽车周围的具体情况。由于反射镜和车身的限制,驾驶员的视角存在着一定的“盲区”。现在利用汽车侧视雷达可以有效的解决这一问题。它是一种安装在汽车侧面的雷达系统,其探测范围是行驶车辆邻近车道的整个宽度,当驾驶员的“盲区”内出现车辆和其它物件时,立即发出警示信息。侧视雷达系统是对常规汽车侧视和后视反射镜的有效补充,很大程度上提高了行车的安全性和行驶的有序性,避免了驾驶员由于视角的限制,导致交通意外的发生。
3 雷达在城市管道监测中的作用
在城市建设过程中,特别是老城区的改造过程中,大量的给排水、供气管道布置在地下,随着城市的发展和变迁,很多管道的位置信息资料遗失,还有一些私人搭建的管道,这都给城市建设带来不小的麻烦。因此,在施工建设之前有必要对施工地点进行地下管道的探测。目前,地下管道探测工作主要使用的就是管道探测仪和地质雷达,其中地质雷达技术成为一种越来越广泛使用的方法。
地质雷达法的工作原理是利用无载波高速脉冲作为探测地下目标的信号源,并根据探测目标的实际要求设定脉冲参数。用宽带天线将高速脉冲换成脉冲电磁波进行辐射,一部分经由发射天线直接到达接收天线形成直达波,作为低下目标深度的参考依据;一部分进入地下传播,当遇到地下目标或不同媒质界面时产生反射,反射的电磁波经地表到接收天线形成反射波,反射波相对地表反射的直达波出现的时间是电磁波从地表到目标再从目标到地表传播所需的时间。通过比对研究反射波所带的地下目标和地下媒质的性质信息,可以确定低下目标的性质和位置的综合信息。
参考文献
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关键词：连续波 雷达信号 处理技术
中图分类号：TN957.51 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）04-0000-00
在现阶段目前的雷达常用体制当中，多以连续波体制和脉冲多 普勒体制维多。连续波雷达本身所具有的发射功率小、隐蔽性能号以及抗反辐射导弹能力强等特点，在增大了雷达的作用距离的同时，也；具有低截获率和抗有源干扰的能力。与此同时连续波雷达体积小、重量轻、机动性能强的特点，在很大程度上增强了雷达在战场恶劣环境下的生存能力。因此，连续波雷达可在直升机机载预警雷达、岸基与舰载警戒雷达、地面战场侦察雷达以炮瞄雷达等多方面进行广泛应用。
1 连续波雷达的工作原理
在雷达发射线性三角调频连续波信号的时候，雷达载频f0，此时的调频带宽则为B、调频间隔为T。这个时候的信号的频率与时间关旭如图1所示，在图1当中细实线代表的是发射信号，粗实线代表的是目标回波信号。粗虚线则代表的是有多普勒频率时的目标回波信号。
而发射与目标回波信号频率差如图2所示，图2中用实现来表示固定目标回波与发射信号的频率差，用虚线来表示运动目标回波与发射信号的频率差。因此在发射信号一个扫频周期内，三角线性调频信号正向调制段可以示为Bt，up（t）=A0 cos[2π（f0t+μt2/2）+0，up]，其中f0、A0和0、up则分别代表的是发射信号的频率、幅度和初始相位，其中的μ=B/ T 是调制斜率[1]。
2 连续波雷达的特点
（1）连续波累的发射机功率是相对较低的。这样的装置在进行反侦察的时候有着极其有利的因素。如果连续波雷达采用伪随机码调相或者随机码来破坏敌方的侦查接收机当中的傅里叶变换跟踪雷达的瞬时频率，使得敌方无法使用这一项功能，在这种情况下敌方如果想要对伪随机随机二相码连续波雷达进行干扰是非常之困难的。因此，连续波雷达容的低截获率是相当突出的。（2）连续波雷达当中所安装的的接收机的带宽较窄，因此如果周围的环境处于声波比较杂乱的情况下，连续波雷达的检测功能还是相当明显的。（3）如果对雷达进行发射功率的增大和收发天线的增益，在减小接收机的噪声系统和微波损耗的情况下，就算是很小的隐身目标，也是可以被连续波雷达检测出来的。在雷达的月探测或者跟踪的战术方面，在连续波雷达和脉冲雷达相比较方面，是需要根据收发隔离来进行决定的[2]。
3 连续波雷达的信号处理
在连续波雷达数字信号的处理系统方面主要可以分为I、 Q2这两个支路 ，连续波雷达的数字信号系统的两个之路分别由杂波对消、匹配滤波、最大熵外推、FFT、恒虚警判决等电路进行组成。
在雷达进行发射信号的时候，雷达所发射的信号需要经脉冲调制器来进行相关调制 ，在这个过程当中就会产生占空比为0.5的高稳定射频信号。在进行目标反射后就会形成信号的回波 ，这个时候利用天线经T/ R开关转换器将其信号送到接收机当中，接收机中接收到的信号会经过混频电路将其中的中频信号再数字信号处理系统输入端。在达到输入端的熟悉信号之后在经过A/D变换后 ，就会在保持中频相位信息的状态下将其并送入到杂波对消器。通过这样的方式来对其消除地（海）杂波的影响，从而在很大程度上可以减少数字信号的动态范围[3]。这个时候其中的伪码匹配滤波器实就会对伪码实行解扩的行为动作的同时，还可以完成对多普勒失谐的补偿。将数字信号进行解扩动作之后，信号频谱就会变窄，并且解扩后的信号波形波形都成为了含有多普勒信息的近似正弦的断续周期信号。在这个时候的最大熵外推主要是应用最大熵前后向预测外推。通过这样的动作就会使得k个周期的呈现出断续波形的信号逐渐连接成为kT连续时间的连续波，从而提高频率的分辨能力来对间断信号所造成的加窗影响进行消除以及中断。
4 结语
综上所述，通过连续波雷达数字信号处理系统的分析和实现，可以看出在很大程度上具有明显的优势。因此，在未来的高科技的战争条件下，具有广阔的应用前景。在今后的发展研究过程中，要不断进行广泛的研究，使得连续波雷达技术得到更加广泛的发展。
参考文献
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关键词:多普勒雷达;雷电;防护;技术路线
中图分类号:tn95文献标识码:a
文章编号:1004-373x(2010)01-186-03
technical way of lightning and static electricity protection for doppler radar
li ya′nan1,chen shangde1,2,zhang shengcai2,li weihong2,li weilin2
(1.institute of arid meteorology,c m a,key laboratory of arid climatic change and reducing disaster of gansu province,
key open laboratory of climatic change and disaster reduction of cma,lanzhou,730020,china;
2.lightning protect center of gansu,lanzhou,730020,china )
abstract:in order to solve the doppler radar suffered against lightning and other over-voltage at work,on the basis of analyzing operational and control system′s low voltage characteristics,the technology of lightning and static elecericity protection of radar station are proposed,and the real construct method for avoiding direct thunder hit and protecting equipment being hit and shielding working chamber.some design methods are implemented in practice and have protective effect.
keywords:doppler-radar;lightning;protection;technical
0 引 言
多普勒天气雷达又称新一代天气雷达,是我国气象部门最近几年大量布设组网的一种新型天气探测设备。多普勒雷达的最大特点是可以探测目标物的径向运动速度,所以可以比较准确地辨认很多灾害性天气现象,它的布点连网使用为大气探测研究提供了前所未有的机会。但由于雷达一般处在高山和开阔地带以及现代信息设施低电压化的特点,新一代天气雷达极易遭受雷电和静电的损坏[1],这就使得防雷和防静电成了新一代天气雷达建设中的突出问题。为此,国内外防雷界人士投入了大量的人力和财力,用以研究和实验这些新型雷达的雷电和静电防护。
利用工作的便利条件,在新一代天气雷达建设的实际工作中,对这一关键的问题做了实验和探讨,实践证明在新一代天气雷达建设中采用的技术路线是有效的。
1 直击雷防护的技术路线
1.1 接闪
接闪是防雷的第一道防线,常规的做法是架设避雷针,通过高耸的金属铁塔将强大雷电流拦截引入地下。但新一代天气雷达的特点是工作频率较高,周围较大的金属器件极易对雷达信号造成衰减。金属避雷塔在拦截雷电的同时,往往将雷达的探测信号也进行了不同程度的衰减,情况严重时往往会严重影响系统正常运行[2]。为了避免这一现象,人们现阶段一般都用两种办法来解决这一矛盾:一是将避雷针远离雷达天线,这样以来,避雷针的防护效果就会降低,为了不降低防护效果,只好再增加避雷针的数量,这显然是以牺牲避雷针防护效果和增加成本为代价来减少避雷针对雷达信号衰减的;二是在雷达的防风罩顶部架设一小型避雷针,由于这种避雷针的引下线只能借用防风罩的壁体,距离雷达天线很近,容易造成雷电流对雷达天线的反击,使雷达的工作环境遭到破坏[3]。
为了解决以上矛盾,需要在避雷针的材料上寻找突破口,对直击雷接闪器采用了特殊材料制作,由缠绕型玻璃纤维增强环氧树脂管制作主管体,管体根据不同高度设计为上细下粗的塔型,下端管体壁厚达到15 cm,树脂管内设一根截面50 mm2的多股铜线实现对雷电流的引下入地。一般每个雷达站设立三到四支避雷针,以环抱的形式实现对雷达天线的直击雷防护。避雷针抗风强度设计为40 m/s。
避雷针布设的另一个重要参数是防反击距离[4]。按空气的击穿电场强度大于3×104 v/cm的理论值测算[5],雷电防护的防反击的要求并不是很高,只要大于0.1 m就可以对300 kv雷电压进行防护,但考虑到雷击发生时空气湿度、气压和温度等一系列气象因素对击穿电场强度的影响[6]和常规做法,新一代天气雷达防雷电反击的距离按不小于3 m设计。由于环氧树脂管本身具有绝缘效果,这一防反击距离是完全可以达到雷达防护要求的。另外,和一座金属铁塔相比,缠绕型玻璃纤维增强环氧树脂管避雷针在经济上也是完全可以接受的。
为了有效防护雷达所在建筑物遭受雷击,雷达塔楼按优于国际标准规范规定的二级防雷设施的要求设计[3]。如果雷达站建立在高山顶,雷达塔楼的防雷均压环一般从一层开始布设。如果具体施工工作能与土建工程配套进行,将会使避雷针架设工程中的费用极大降低。
1.2 引下
避雷针接闪后的雷电流必须利用引下线迅速泄放入地,传统避雷针的引下线有两种形式:一种为独立引下线,这种形式一般为每根避雷针设立一单独的引下线,其优点是引下线的安装位置可以根据防护对象的实际情况进行适当调整,但这种调整量十分有限,并且建筑物上的引下线很难与建筑物的金属体进行严格的分离。另一种方法是避雷针引下线借用建筑物主体的主筋,其最大的优点是当雷击发生后可以实现整个建筑体等电位[7],但如果建筑体等电位处理不好时,强大的雷电流容易和借用主筋周围的设备发生反击。
为此,可以通过一个简单计算对两种引下线的防护效果进行分析[8]:
i=i/(n•n)
式中:i为单根引下线在发生雷击时所流过的雷电流(单位:ka);
i为接闪器接闪后的雷击总电流(单位:ka);
n为雷达站雷达塔楼建筑立柱的个数;
n为每根雷达站雷达塔楼建筑立柱中防雷引下线的根数。
假如一雷达站发生瞬态电流为200 ka的雷击,独立引下线只有被动的将这一电流全部承担下来,在其周围产生的影响是显而易见的。而如果借用建筑主筋,一般的雷电塔楼都有4个或更多的立柱,如果每柱借用两根主筋做避雷针的引下线,则可以使每根引下线的雷电流减小为避雷针接闪总雷电流的1/8,即只有25 ka。从土建建筑的施工工艺看,这一计算方法是相当保守的。
通过分析可以看出,借用建筑主筋可以最大限度地分散雷电流能量。新一代天气雷达站直击雷防护的引下线全部借用建筑体的竖筋实现[2]。由于这些引下线不但要用以引下强大的雷电流,还要引下弱小的静电和感应电流,在实际工艺中,对借用主筋全部做焊接处理。考虑到等电位及综合防护效果,建筑体横竖主筋在每层处全部采用焊接,很显然,这样处理的结果会使得可能发生的雷电流在引下过程中得以极大的分散,从而减小雷电流的破坏性作用[1]。
1.3 接地
直击雷防护的接地体地网由两部分组成:
一部分为建筑体的地下基础主筋(也叫建筑地或自然地)。为了很好地对这些埋入地下的建筑金属加以利用,在混凝土浇注前,在不破坏机械强度的情况下,对每根钢筋进行了双向焊接,地下立柱主筋每2 m加筋焊接一圈,箍筋增加焊点大于φ12圆钢横截面的要求,以作为建筑接地体之用。
另一部分为环绕建筑体的专用地网(也叫人工地),用2.5 m长φ50热镀锌管钢和4×40 mm热镀锌扁铁组成(见图1),地网制作在地面700 mm以下,焊接处做防锈和防腐处理。两个地网在地下立柱处做多点焊接连通,形成互补,以使雷电流和其他干扰电流迅速泄放入地。
图1 专用地网施工方法
一般规范对各类设施的接地电阻都有要求,天气雷达系统地网的总体接地电阻设计[9]为小于等于4 ω,系统建成后经过实际测量,绝大多数地网的实际接地电阻都小于等于1 ω。
1.4 侧击雷防护的特殊处理
根据不同雷达站的情况,对雷电的侧击和绕击做了不同的处理。地处高山的台站一般都利用金属防护围栏进行接地处理,与雷达站各类地网进行多点等电位连接。这样以来,围栏就成了很好的侧击雷接闪设施。
1.5 系统供电的雷电防护
为了防止雷电通过电源线路击毁雷达设施,原则上要求配电室和变压器应置于lzp0b区,其他配电设施等置于不低于lzp1的防雷区域,直击雷防护等级不应低于二类防雷建筑设计[2],所以,为配电室设立了常规避雷带,围绕配电室设立地网一组,兼做电力系统保护地网和配电室防雷地网。考虑到雷达站地理位置的特点,进入配电室的架空电力线路在前三根线杆都设立了避雷线。
2 设备仪器雷击防护技术路线
2.1 分流
工程的雷电流等过电流的分流由两部分组成:一部分为等电位的连接,通过对建筑、电器、管道、线路等的均压处理,使过电流通过多条线路泄入大地;另一部分为浪涌电压吸收设施,电源部分采用最少二级、重点部位采用三级电涌吸收措施[10](见图2);程控电话线路、网络线路、信号传输系统等都采取一级电涌防护措施;雷达天线安装就位后,根据设备实际情况对雷达伺服系统的线路采取了电涌防护措施;无线数据传输系统、通信线缆亦根据情况采取相应的防护措施,这样以来,叠加在线路上的过电压以最短的线路和最快的速度,通过吸收设施分流入地。
图2 电涌防护原理图
2.2 引入接地
为避免雷电和电磁干扰,根据不同情况,对不同的场地和设备采用不同的接地形式。重点场地采用“m”(均压环),“s”(汇流排)型混合接地方式[11],一般场地采用“m”接地形式,较分散设施和各类线路引入点等采用“s”接地形式。为提高弱电设施场所的安全系数,可根据情况适当增加其接地点。考虑到楼房的高度会使引下线加长,造成接地体的接地电阻难以达到国家有关规范要求的规定值,故主机房、控制室、楼内计算机房的系统地网主要借助建筑地网[12],设计接地电阻都小于等于4.0 ω。供电线路和部分电涌吸收设施的地线难于采用公用接地时,我们进行了独立敷设。
2.3 屏蔽
新一代天气雷达的电磁屏蔽措施以两部分为主:一部分为雷达机房和计算机控制室的屏蔽,这一部分工程主要包含在土建工程之中,其屏蔽金属体的网格不应大于20 cm×20 cm,机房门窗设计为金属材料,窗户亦加设了网孔不大于20 cm×20 cm的金属网,金属门窗和网与建筑物部分的主钢筋做焊接连接,焊接点之间按不大于2 m设计,这一措施对米波长和很大频段的厘米波长的雷电电磁波和其他干扰信号可以起到有效的防护作用;另一部分为各类线路的屏蔽,严格区分了高低压、高低频线路,各自分立穿管布设,穿线槽分段就近进行了接地,以将雷电和其他干扰电磁场降低到最低限度。
2.4 均压处理
等电位处理是涵盖土建、安装、电器等项目的综合工程。工程的等电位处理主要有以下内容:
建筑体主筋的等电位处理,主要对所有竖筋和横筋进行焊接处理,使整个建筑体成为一个等电位体。
上下水、通风等所有进出建筑体的管道与建筑地网就近进行电气连接,使整个进出建筑物的金属物体与建筑体形成等电位体。
机房、供电部分的交直流和安全保护地线以及防雷地线都与建筑地网进行共地处理。
机房、各类线路、接线盒等部分的地线从建筑体就近引出,防雷地从楼顶主筋引出,部分必须单独设立的地网(如电缆接地等)也与建筑地进行了等电位连接。
2.5 静电防护
新一代天气雷达系统的静电防护主要是为了消除计算机和信息系统在运行过程中产生的静电电荷,根据国内外静电防护的经验,除在操作中注意操作方式减少静电之外,给静电提供泄放通路和合理选择机房有关材料,以破坏静电形成的条件是静电防护的关键。为了达到这一目的,对防静电地板接地与其他接地系统进行了共地处理,防静电系统设计接地电阻[12]小于等于4.0 ω;有关机房防静电地板泻放电阻按1×105～1×108 ω设计[12]。
2.6 配电及其线路防护
根据工作需要和现阶段通行的做法,总配电室以后的供电采用了tn-s或tn-c-s接地系统[9],其中零线线径与相线线径相同,地线线径按不小于φ6设计;变压器侧设立零线地网,配电主机房和自供电系统也设立了相应地网,分配电室地网与建筑地网共地处理,各地网接地电阻小于等于4.0 ω。线路在进出建筑物前作穿管埋地处理,埋地长度不小于15 m。
3 结 语
随着雷达操作和数据处理的自动化,雷达硬件设备的用电电压越来越低,这使得雷达的雷电和静电击毁率急剧的增加。由于这类故障有时是由低电压造成的,其故障比较隐蔽,往往不宜查找和根除。所以雷电和静电的防护应该引起设备使用者的高度重视。设计的新一代天气雷达防雷项目已有多项投入使用,有些雷达站甚至在常发雷击的高山之巅运行了多时。通过实践,该设计技术路线是可靠可行的。
尽管这些防雷系统被采用在天气雷达的防护中,但其防护的技术路线对其他雷达设施、通信传输系统和弱电设施场所都有很好的借鉴作用。
编辑整理
参考文献
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关键词：地质灾害 地质雷达 地裂缝
1 绪言
地质雷达探测是一种先进的探测技术，是近十余年发展起来的地球物理高新技术方法，以其分辨率高、定位准确、剖面直观、实时图像显示等优点，受广大工程技术人员的青睐，王玉海、姜涛也曾经做过地质雷达关于检测地裂缝的应用，并且取得了很好的效果，但由于地质雷达本身的勘探深度有限，中浅层的地裂缝不能有比较明确的效果。
2 应用实例
2.1资料背景
该工区地表以黄土为主，由于地下水开采过多，使得使厂区内部分地段产生裂缝、裂隙现象，造成部分地段的水平位移和差异沉降，严重影响了厂区建筑物的安全。为了加固某些重要的地基，首先必须查明地裂缝、裂隙的位置、深度及规模，为地基处理提供依据。
2.2地质雷达的探测方法技术
地质雷达的探测原理为利用高频电磁比以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线向地下发射，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，返回地面，被布设在地表的接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达波剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性和几何形态而发生变化，因此，根据接收到的电磁波特征，即波的旅行时（亦称双程走时）、幅度、频率和波形等，经过雷达波场资料的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或者结构特征。
地质雷达技术可针对地下裂缝的大小实施大范围的连续扫描的剖面图，能够清晰地反映地裂缝的位置和深度，所以它能弥补常规地质调查的不足，有利于地裂缝地区的灾害治理。
2.3地质雷达探测处理及结果
对雷达资料分别进行了Subtract-DC-Shift、Background removal、subtract-mean、Move-start-time、Energy decay、Subtracting average、Band pass butter worth、Median filter、Running average、Kirchhoff migration和Time cut等处理，经过分析认为，裂缝发育带其异常特征多表现为地能量强弱不均，同相轴的局部缺失及雷达波的频率变化，如图1所示。
2.4地质雷达探测解释分析
2.4.1同相轴明显错动
地层受剪切和张力的作用，产生张裂缝、张裂隙，造成地层某一位置错断，在雷达图像上表现为同相轴错断，错断程度与裂隙发育程度有关，裂隙中心对应于同相轴错动的“过渡点”，“过渡点”两侧同相轴明显变化，说明裂隙是沿纵向发育。如图中1号点附近，深度10～14m范围内。
2.4.2同相轴局部缺失
若裂隙、裂缝沿横向发育，由于裂缝、裂隙对电磁波的吸收、衰减作用，往往造成此部位的同相轴局部缺失，其范围与裂缝、裂隙横向发育的范围有关。如图中6号点到10号点之间。
2.4.3局部波形畸变及频率变化
由于较小的局部附属性的小裂缝、裂隙，对电磁波的衰减作用，会导致雷达反射波形发生畸变，所以局部雷达反射波波形发生畸变时，尤其是在较大裂缝、裂隙中间或附近，往往会出现这种现象，即表示存在小裂缝、小裂隙，畸变越严重、范围越大说明此处小裂隙越发育。
3结论
1）地质雷达本身具有分辨能力强、观测效率高、信息量大等优点，用地质雷达来探测地裂缝、裂隙是可行而且是有效的。
2）在现场进行方法的试验及测定测区内地下介质的物性参数是有效性取得高质量探测图像的关键。
3）对地质雷达异常进行解释时，要做到具体情况具体分析。如果电磁波波形连续性破坏，说明地层发生错断；若电磁波发生畸变则是裂缝、裂隙中密实度低的松散介质或小裂缝对电磁波的吸收或衰减作用造成。但是在裂缝、裂隙发育地段，上述特征往往是并存的。
4）地质雷达探测结果的分辨率高，异常特征丰富，定位准确，但受介质和天线频率的影响其探测深度有限，黄土地区50Mhz天线一般探测深度不超过20m。
参考文献：
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关键词： 反辐射导弹； 雷达关机； 捷联惯导； 复合导引头； 滤波算法； 扫描
中图分类号： TJ761.1+6文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）01-0013-05
Abstract： The characteristics of several techniques against radar shutdown of anti radiation missile（ARM） are analyzed. Based on this， it points out that the mainstream technique today is the compound guidance mode of passive radar seeker（PRS） and strapdown inertial navigation system（SINS）， and one of the development trend in the future is the multimode seeker guidance mode. The principles of the two modes above are studied and the corresponding conclusions are given. The main problems of adopting multimode seeker guidance mode are analyzed， the development progress of ARM against radar shutdown is summarized， and the importance of increasing manuverbility for ARM adopting multimode seeker is noted.
Key words： ARM； radar shutdown； SINS； multimode seeker； filter algorithm； scanning
0引言
反辐射导弹是以被攻击雷达所辐射的电磁波为导引信息的一种防空压制武器， 具有作用距离远、 隐蔽性能好、 可全天候使用等优点。 20世纪60年代初， 美国研制出“百舌鸟”反辐射导弹， 并首先在越南战场上使用。 起初“百舌鸟”导弹对越南雷达阵地的摧毁作用十分明显， 后来由于对方雷达采取突然关机、 大甩头等措施， 使其失去了应
有的攻击作用。 究其原因， 主要是由于反辐射导弹过分
地依赖于目标所辐射的电磁波， 因此一旦目标雷达采取关机等措施， 而弹上不采取相应的对抗手段， 其命中精度将会大大降低。 为此， 抗雷达关机能力得到了世界军事强国的普遍重视， 先后研制出的较先进的反辐射导弹大都具有某种程度的抗雷达关机能力。 如美制“标准”反辐射导弹可在雷达关机后， 通过载机上的目标探测定位系统所确定的雷达位置， 由载机发出指令继续制导导弹飞向目标； “哈姆”反辐射导弹利用其本身所具有的高速飞行性能（Ma>3）及惯导系统来对抗雷达关机； 法国的“阿尔玛特”、 苏联的“王鱼”也采用了惯导系统； 而英法联合研制的“马特尔”则采用了被动雷达+电视制导的复合制导形式； 英国的“阿拉姆”也是利用弹上惯导系统来对抗雷达关机。
1反辐射导弹的两种抗关机作战场景
根据目标雷达实施关机对抗措施的时机和关机持续时间， 可以将反辐射导弹抗关机分为两种作战场景。
第一种是抗中段关机， 在导弹制导飞行的过程中， 目标雷达采用突然关机手段， 在一段时间内不再向空中辐射电磁波， 但在导弹落地之前再次开机。 导弹需要在雷达重新开机后迅速捕捉到目标信号并继续对其实施攻击， 直至命中。
第二种则是抗末端关机， 在导弹制导飞行的末期， 雷达采用突然关机手段， 并且不再开机， 直至导弹落地。 要求导弹制导系统利用前期被动导引期间获取的目标位置信息， 继续朝向目标雷达制导飞行， 仍能以一定的概率毁伤目标。
一般来讲抗中段关机相比末端关机更容易一些， 主要原因是二者对导弹的要求不同， 前者只要求目标雷达重新开机时， 导引头能够重新捕获、 跟踪目标使导弹能够重新转入被动寻的制导即可。 由于宽带导引头的波束宽度一般较宽， 因此角度截获不成问题。 该作战场景主要强调的是导引头的自动目标分选能力， 不涉及制导精度的问题； 而后者的要求相对较高， 在目标信号源消失的情况下还要求导弹达到毁伤目标的制导精度， 技术上存在较大的挑战。 因此一般意义上的反辐射导弹抗关机指的都是抗末端关机。
2反辐射导弹抗雷达关机的技术方案
反辐射导弹采用的抗雷达关机措施， 一般以被动雷达寻的制导为主， 复合一种其他制导方式。 被动雷达寻的导引头可以与主动雷达组成被动/主动复合制导， 也可与红外、 激光、 电视或捷联惯导等组成复合制导。 但从可靠性、 技术成熟程度、 研制费用和研制周期等几方面综合考虑， 采用被动雷达复合捷联惯性制导方案更具优势。
（1） 惯性制导不受外界干扰， 也不依靠外界任何信号， 因此是全天候、 全自主的。
（2） 相对于激光制导和电视制导， 捷联惯导系统具有可靠性高、 体积小、 重量轻等特点， 且技术实现容易。
（3） 捷联惯导系统经济性好， 技术成熟度高。
鉴于上述考虑， 目前国际上主流的反辐射导弹均采用捷联惯导（SINS）复合宽带被动导引头（PRS）的制导模式， 都具备一定的抗关机能力。 例如美国的HARM导弹、 英国的ALARM和巴西的MAR-1导弹等。
3捷联惯导复合制导模式抗关机问题
早期采用单模（仅有PRS）导引的反辐射导弹由于没有配置导航系统而不具备自身及目标的定位能力， 在目标关机后对目标的攻击由原来依靠PRS提供目标角度信息的寻的制导， 转变为保持视线方向不变的追踪式攻击， 效果不佳。 末端抗关机距离很近， 一般只有数百米， 远远不能满足作战需要。
3.1捷联惯导复合制导模式的抗关机机理
随着捷联惯导技术的不断成熟， 同时为满足抗关机的迫切需要， 世界主流的反辐射导弹都采用了捷联惯导（SINS）复合宽带被动导引头（PRS）的制导模式， 更先进的甚至引入了卫星辅助导航（GPS）。 该制导模式抗关机的机理如下： 在目标雷达关机前， 弹载计算机利用反辐射宽带被动雷达导引头的导引信息进行制导， 同时利用导弹组合导航系统（SINS/GPS）的位置信息及导引头的测角信息， 采用非线性滤波方法进行目标位置的估计； 雷达突然关机时， 利用上一时刻记忆的目标位置信息及组合导航系统的位置信息， 使用外推估计值进行制导， 按照给定的制导律生成控制指令， 继续引导导弹攻击并满足精度要求。
捷联惯导复合制导模式抗雷达关机的关键是目标雷达的被动定位问题， 而定位问题实质上是非线性最优滤波问题。 反辐射导弹抗雷达关机的原理方框图如图1所示。
3.2捷联惯导复合制导抗关机问题研究结论
应用数字滤波技术， 基于SINS/GPS+PRS复合制导模式的反辐射导弹相对于单纯依靠PRS制导， 抗关机能力在一定程度上得到提高， 末端抗关机距离能够提高到数千米。
基于SINS/GPS+PRS复合制导模式的反辐射导弹在对抗雷达关机时影响脱靶量的因素有： 雷达关机时对目标的定位误差、 关机期间导弹的导航误差及制导控制系统执行误差。 其中第一项是主要因素， 提高SINS的精度、 引入卫星制导可以一定程度地提高反辐射导弹的抗关机能力， 但作用比较有限。 反辐射导弹抗关机问题的核心是如何提高关机时刻导弹对目标被动定位的精度。
控制误差是导弹控制系统执行控制指令时所产生的误差， 是由方法误差、 测量误差以及动态滞后等因素引起的， 在导弹制导飞行的过程中始终存在且不可避免。 导航误差是导弹飞行过程中导航系统测量自身位置信息时所产的误差， 它与SINS的器件水平直接相关， 且与导弹的剩余飞行时间强相关并呈指数关系增长。 为了消除SINS长时间的积累误差， 先进的反辐射导弹多采用SINS/GPS组合导航系统。 引入GPS后可以将导航误差控制在3 m左右（CEP）的水平， 使得导航误差与剩余飞行时间无关， 这样就可以减小脱靶量， 提高导弹在目标雷达关机后的制导精度。 关机时刻的目标定位误差受机载设备对目标雷达的初始被动定位误差、 被动雷达导引头测量误差及被动定位滤波品质等影响。 在目前被动雷达导引头测角精度及滤波处理算法水平之下， 目标被动定位误差本身仍是导致导弹脱靶的主要因素。
国外机载雷达告警装置测角误差≤10°， 测距误差≤10%； 机载电子支援装置的测角误差≤2°， 测距误差≤10%。 当被动雷达导引头稳定跟踪目标后， 可以很快消除初始被动定位误差。 被动雷达导引头的测角误差约为1°～2°（1σ）， 在较理想的情况下， 可以通过被动定位滤波将其提高到0.1°（1σ）左右的水平， 对应10 km的距离上的位置误差约为18 m（1σ）左右， 5 km的距离上的位置误差约为9 m（1σ）左右。
基于SINS/GPS+PRS复合制导模式反辐射导弹的抗关机能力（或者说反辐射导弹对目标的被动定位精度水平）与具体弹道密切相关。 例如在相同弹目距离条件下， 随着导弹飞行高度的降低， 抗关机距离呈现明显的降低趋势， 这涉及到滤波器的可观性问题。 因影响因素多， 抗末端关机能力不易简单地用抗关机距离或时间来描述， 抗关机距离与关机前复合制导（即由PRS来获取目标信息）的时间长短、 具体的弹道情况（远近、 高低、 是否爬升）等直接相关； 在弹道设计上采用一些技术措施可以一定程度上提高反辐射导弹的抗关机能力。 本质原因是一定程度上提高了被动定位滤波器的可观性和收敛特性。
当目标雷达关机时， 如果导弹距离目标较远， 或者被动定位的时间偏短， 此时导弹对目标雷达的定位误差可能远远超过战斗部的杀伤半径， 单纯依靠捷联惯导复合制导模式进行坐标攻击已经不能满足制导精度的要求。
4多模导引头复合制导的抗关机问题
多模导引头复合制导是目前国内外讨论最多的一种抗关机方案， 它具有目标探测能力强、 抗干扰能力强等优点， 是反辐射武器最直接有效的抗关机手段， 也是对抗雷达诱饵干扰的重要发展方向。 但多模复合制导并不是几种导引头简单的并联或叠加， 它涉及到复合模式优化选择、 天线罩技术、 逻辑控制系统设计、 数据融合等关键技术， 以及研制周期长、 成本控制等问题。
目前国外采用的多模制导抗关机方案中， 多采用被动雷达导引头与红外、 毫米波、 电视、 激光等制导技术相结合。 例如美国海军主导的“先进反辐射导弹（AARGM）”（即AGM-88E）采用主动毫米波导引头（MMWS）+被动雷达导引头（PRS）复合的双模制导体制； 德国的ARMIGER反辐射导弹则采用了红外成像（IIR）+被动雷达导引头（PRS）的复合制导模式。 二者各有千秋， ARMIGER采用固体火箭冲压发动机， 最大射程可达200 km， 制导精度高， 因此战斗部仅重20 kg， 但发展前景不明， 相关文献报道很少。 而AGM-88E目前已经完成设计定型， 处于小批量装备阶段。 在这个过程中出现了一些技术问题， 目前正在逐步解决之中。 因相关技术高度敏感， 很难知道具体的细节， 猜想可能与末制导目标自动识别有关。
4.1多模导引头复合制导的抗关机机理
导弹采用SINS/GPS+PRS/MMWS复合制导模式， 在朝向目标制导飞行的过程中， 如雷达突然关机， 则导弹首先在SINS及GPS的引导下朝着雷达关机前根据被动定位算法推算的或者载机装订的目标粗略位置飞行。 在合适的距离上（如3 km）毫米波主动雷达导引头开机工作， 在算法推算/初始装订的目标位置附近一定范围内进行扫描、 搜索和识别， 一旦发现、 截获并稳定跟踪目标， 导弹即由坐标攻击模式转变为由MMWS导引的寻的制导模式直至命中目标， 因而可大大提高制导精度。 如果目标雷达持续工作， 则制导系统对PRS和MMWS的导引信息进行数据融合， 可明显改善制导系统的可靠性和抗干扰能力。
另一方面， 由于MMWS的引入所具备的区域搜索及目标自动识别能力， 使得反辐射导弹的使用更加灵活， 甚至可以用来攻击预先知道概略位置的未开机的防空武器系统。 同时在对抗有源诱饵干扰方面也大有用武之地。
相较于传统的SINS/GPS+PRS制导模式， 引入MMWS末制导能够大幅提高导弹抗关机能力的本质是有效利用了其区域扫描搜索能力。 相当于把原来必须将目标精确定位到有效脱靶量之内（典型值15 m ）的苛刻要求放宽为只需把目标精确定位到MMWS的搜索范围内（典型值600 m×600 m）， 对应的定位精度为300 m， 如图2所示。 因此大大降低了对制导系统的压力， 实现了抗关机能力的大幅提高， 将原来的几千米扩大到了十几千米甚至二十千米以上。
4.2多模导引头复合制导需重点考虑的问题
为实现反辐射导弹的多模导引头复合制导， 取得良好的抗关机甚至抗诱饵效果， 必须解决好如下问题：
（1） 基于距离高分辨的目标自动识别
对目标的自动识别是多模导引头复合制导必须解决的第一关键技术， 它将直接决定着导弹攻击过程的成败。 其主要过程是： 首先控制MMWS的波束指向估算的目标点， 对波束内目标进行检测。 对检测到的目标， 利用距离高分辨、 目标辐射信息等构造特征向量， 并与数据库中的制导雷达天线的特征信息进行匹配。 如果没有发现要打击的目标， 则启动扫描程序按一定规律对周围一定范围进行扫描， 执行目标检测、 特征匹配和目标确认等流程， 直至发现目标； 在确认目标后随机转入稳定跟踪状态， 输出制导系统所需的目标参数。 MMWS对搜索区内目标自动识别、 打击如图3所示。
对于MMWS主动雷达， 目标与诱饵外形等特征存在差异， 其散射信号有很大的区别， 表现在高分辨距离像上， 如扩展长度、 散射点相对大小和分布等， 利用高分辨距离像可实现有效的鉴别， 从而使反辐射导弹具备良好的抗诱饵能力。
（2） MMWS机电式位标器的快速性
PRS探测距离一般比较远， 而MMWS受体制、 波长和口径等多种因素的限制， 有效作用距离非常有限， 对典型目标作用距离一般只有3 km左右。 为保证末端MMWS寻的制导的精度， 至少需要2 km左右的末制导飞行过程， 这就要求MMWS对于特定区域的搜索必须在1 km左右的飞行时段内完成。 对于超音速情况， MMWS对目标可能区域的扫描时间仅有2 s左右。 假设MMWS波束宽度1.5°， 扫描角速度80 （°）/s， 导弹擦地角20°， 飞行速度600 m/s， 计算出最大搜索区域为500～600 m。 当然80 （°）/s的扫描角速度对于机电式位标器存在一定的挑战。 如果将目标的概略定位精度提高， 例如提高到150 m（对应的搜索区域降低为300 m×300 m）， 或者将MMWS的有效作用距离提高到4 km以上， 都可以降低对位标器快速性设计要求。 这实际上是总体指标间的平衡、 折衷问题。 对MMWS区域搜索的快速性要求如图4所示。
（3） 反辐射导弹的机动能力要求
如前所述MMWS在完成对目标雷达的识别、 截获后， 最终实现稳定跟踪时距离目标已经很近， 如果目标定位精度差导致其处于比较靠近区域边缘的位置， 对导弹的机动能力将是一个严峻的考验， 这一点与通常意义上的空地导弹是有区别的。
（4） 反辐射导弹的末端弹道优化设计
理论分析及数字仿真研究表明， 对于采用近炸引信的反辐射导弹， 从引战配合角度来讲， 希望导弹的着地角越大越好。 而另一方面， 着地角越大， 导弹需用过载越大， MMWS截获距离却越小， 截获距离小又反过来需要更大的过载。 这样在MMWS稳定跟踪目标之前， 不宜将导弹着地角控制太大， 理想的弹道策略是在MMWS截获目标之前， 将导弹的着地角控制在20°～30°以下， 稳定跟踪后再逐步将导弹着地角提高到50°以上， 这涉及到末端弹道的优化设计问题。
5结论
以“百舌鸟”为代表的第一代反辐射导弹基本不具备抗关机能力。 另外其被动雷达导引头灵敏度低， 只能跟踪雷达目标波束主瓣， 目标的一个大甩头动作甚至都可能导致攻击过程的失败。
以“哈姆”为代表的第三代反辐射导弹引入了惯性导航系统， 具备一定的抗关机能力。 但由于受到被动导引头测角精度、 被动定位数字滤波器收敛速度、 具体的攻击弹道及被动导引时间长短等因素的影响， 抗关机能力虽有较大的改善， 但仍然不能满足实战需要。
以“先进反辐射导弹（AARGM）”为代表的三代后反辐射导弹引入主动毫米波复合导引头， 具备了良好的抗关机能力和抗诱饵能力， 当然成本也会明显上升。
引入主动毫米波复合导引头的先进反辐射导弹必须解决好基于距离高分辨的目标自动识别、 机电式位标器扫描快速性、 导弹机动能力和末端弹道优化等关键技术， 方能闭合其整个制导过程。
如果导弹本身具有较强的机动能力， 可以明显降低目标的概略位置估算精度要求、 MMWS对典型目标的截获距离要求以及机电式位标器扫描快速性的设计压力。
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《激光雷达技术原理》以测量学和数据处理理论和方法为基础，讲授激光雷达技术的基本原理和数据后处理方法，同时结合实际案例讲解激光雷达技术在测绘、地质和工程等领域的应用前景和亟待解决的问题。由于激光雷达是一项测绘新技术，国内还没有成熟的教材，因此结合国际上较为权威的专著《AirborneandTerrestrialLaserScanning》［5］以及国内外相关的研究和应用成果自编了教程，对学生采取了“了解—新型传感器原理”“熟悉—激光扫描仪操作”和“掌握—激光点云数据后处理方法”的教学模式，以达到从理论到实践的教学效果。
1．1了解新型传感器原理
首先，以学生熟悉的全站仪为对照，让学生了解激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，具有非接触式、精度高(毫米级/亚毫米级)、速度快(可达120万点/秒)、密度大(点间距可达毫米级)的优势，且数据采集方式灵活，对环境光线、温度都要求较低。其次，让学生理解LiDAR的测量原理主要分极坐标法和三角测量法两种。其中，对于极坐标法测量，使学生了解测距的关键在于时间差的测定，引出两种常用的测时方法:脉冲法和相位法;让学生理解直接测时和间接测时的区别以及各自的优缺点，从而进一步了解脉冲式和相位式激光扫描设备的优势、局限性以及应用领域。最后，通过介绍激光雷达采集数据的扫描方式，让学生了解不同平台上的激光雷达传感器的工作特点，如固定式激光扫描仪适合窗口式和全景式扫描，车载、机载以及星载平台适合移动式扫描等。
1．2熟悉激光扫描仪操作
考虑到各类平台激光雷达的作业特点以及现有设备的情况，《激光雷达技术原理》课程以地基三维激光扫描仪为重点，让学生熟悉仪器的外业操作。尽管激光扫描仪数据采集的自动化程度较高，外业采集仍然需要解决扫描设站方案设计和不同扫描站间连接点选择等问题，要求学生在熟悉激光扫描仪软硬件操作的同时，还要掌握激光扫描仪外业采集方案的设计:踏勘工作区，分析研究最优化的扫描设站方案和坐标转换控制点选择，画出相关的设计草图，并设置主要扫描设站的标志。要求设站位置既要保证与相邻站的重叠，又要覆盖尽量大范围的被扫描对象，以减少设站数，从而提高外业数据采集效率。
1．3掌握激光点云数据后处理方法
利用点云数据可视化与点云原始存储格式之间的明显反差，让学生了解激光点云数据后处理的重要性和难点，及其已成为制约激光雷达技术应用瓶颈的现状。根据学生的理解程度，选取了点云的拼接/配准、点云的滤波和分类、点云的分割和拟合等后处理方法，要求学生掌握相关的算法并编程实现。
1．3．1点云的拼接/配准点云拼接是将2个或2个以上坐标系中的大容量三维空间数据点集转换到统一坐标系统中的数学计算过程。要求学生掌握如何解决点云拼接的两个关键问题:同名特征的配准以及旋转矩阵的构造。对于同名特征的配准，使学生了解常用配准方法的特点和适用范围，如ICP方法适合用于精拼接，而基于特征面的方法对场景特征分布要求较高等。着重让学生掌握最常用的人工标靶识别，以及特征面匹配，后者有别于学生所熟知的点特征匹配;对于旋转矩阵的构造，拓展学生在《摄影测量学》［6］中学习的基于欧拉角的旋转矩阵构造，掌握角－轴转角系和单位四元数方法。
1．3．2点云的滤波和分类要求学生了解滤波和分类的目的是解决激光脚点在三维空间的分布形态呈现随机离散的问题。掌握基于高程突变和空间形态学的点云滤波和分类方法。让学生理解单一的信息量会导致算法不稳健，从而引出多源数据融合的思路。目前，已经有很多激光扫描仪生产厂商推出的新产品中实现了多传感器平台的集成，如激光扫描仪会搭载小像幅的数码相机，甚至有些系统还提供由集成传感器生成的红外影像。每种数据源都有其自身的优点和局限性，将多源数据融合能够弥补各个单数据源的局限性，增大信息量，从而提高滤波和分类方法的稳健性。
1．3．3点云的分割和拟合要求学生掌握实现点云分割的相似性原则:平面性、曲面平滑度和邻域法向，以及常用的点云分割方法表面生长法。考虑到点云拟合是由离散激光点坐标计算特征模型参数的过程，要求学生掌握点云拟合中两个主要问题的解决方法:粗差剔除及最优解获取。
2实践教学法
实践教学是卓越工程师培养体系中一个重要的组成部分。作为技术性的测绘工程学科，除应用测量仪器采集数据、应用计算机处理数据的基本能力外，还需要构建实践教学体系以培养学生在实践中选用适当的理论、技术、仪器设备和作业方法解决测绘工程与地理空间信息产品生产实际问题的能力，从而使学生接受测绘工程与地理空间信息产品生产方案设计、实施以及实际应用中测绘工程解决方案确定等系统化训练。《激光雷达技术原理》课程实习要求学生全面应用所学知识，利用实习场地，依据实习目的和要求在老师的指导下分组独立完成全部实习内容。实习仪器为中国地质大学(北京)遥感地理信息工程教研室使用教育部采购专项购买的RIEGLLMSZ620三维激光扫描仪。《激光雷达技术原理》课程实习的目的主要是使学生通过三维激光扫描仪的使用，进一步巩固和加深理解相关理论知识和技术方法。要求熟悉三维激光扫描仪数据采集与处理(包括DEM、等高线和剖面图生成以及三维建模等)的全过程。通过实践性教学，不仅能够让学生掌握基本的软、硬件使用操作方法和LiDAR测量项目的作业流程，而且能够加深学生对所学专业理论知识的理解。培养学生的应用能力、创新能力以及严肃认真、实事求是、吃苦耐劳、团结协作的精神。要求学生必须参加每一个实习环节，协作完成实习任务，独立完成实习报告。实习内容主要包括以下部分。
2．1三维激光扫描
数据的外业采集要求学生分组完成测区划分和踏勘，确定测站位置，根据测区地形，设计外业数据采集方案，完成外业设站、反射标靶布设和数据采集工作。学生需要完成校园内建筑物点云数据和奥林匹克森林公园地形点云数据的采集。
2．2点云数据预处理
要求学生分别利用随机软件RiSCANPRO和上机C语言编程对外业采集的三维点云数据进行预处理，包括点云数据的滤波和拼接。
2．2．1点云滤波1)手动滤波要求学生利用RiSCANPRO对点云数据进行滤波。RiSCANPROv1．7．0有两种模式，即Filterdata和Terrainfilter。前者针对一般数据，后者对于提取地形的数据有明显效果。2)自动滤波要求学生上机应用C语言编程实现数学形态学方法、移动窗口滤波法、迭代线性最小二乘内插法、基于可靠最小值的滤波方法等常用的地形滤波算法，对外业采集的数据进行滤波，并对各算法的结果进行比较和分析。图1为学生基于虹湾地区嫦娥一号激光测高数据，利用五种滤波方法滤波后的数据点残差值分布图［7］。
2．2．2点云拼接1)基于反射标靶的点云拼接要求学生利用RiSCANPRO软件，结合外业数据采集时布设的标靶连接点，对地形和建筑物点云数据进行拼接。激光点云数据的拼接有两种方式:公共反射体的方式和采用使所有的反射体处于同一坐标系统的方式。在实际操作过程中，要求学生对两者结合使用，以期达到更好的拼接效果。2)基于特征面的点云拼接要求学生在对点云进行拟合的基础上，选取至少三对相互正交的特征面，利用C语言上机编程，实现基于特征面的点云拼接，并与单纯基于点的拼接结果进行对比，分析不同方法的优缺点。
2．2．3地形数据处理对地形数据的处理主要包括三角化、平滑、生成等高线和剖面。三角化参数的设置可参考量测工具量测出的点云中两点之间的距离初步设定，这个值可适当调整，目的在于使图中的点云数据彼此之间能尽量大面积地构成三角网;要求学生对已经完成三角化的数据进行平滑处理;针对已经完成平滑的数据，利用RiSCANPRO软件生成等高线。剖面图的显示既可以针对三角化之前的数据，也可以针对三角化之后(包括完成平滑的数据)来操作。
2．2．4建筑物几何模型重建针对《激光雷达技术原理》数据处理方法的教学内容，指导教师结合自身的研究成果组织研究生开发了点云分割和拟合以及三维建模等软件模块，考虑到学生的掌握程度和实用性，要求学生在利用软件模块实现点云数据分割和拟合的基础上，利用AutoCAD软件手工建立建筑物的几何三维模型，基于3DSMAX软件建立建筑物纹理模型。图2为暑期教学实习中指导学生利用商业软件和自主开发的软件模块重建的地大校园主要建筑物的三维模型。
3结束语
【关键词】LIDAR；数字高程模型测绘
1、前言
激光雷达技术简称为LIDAR： 该技术可以实现空间三维坐标的同步、快速、准确地获取， 并根据实时摄影的数码像片， 通过计算机重构来实现大型实体或场景目标的3D 数据模型， 再现客观事物的实时的、真实的形态特性， 为快速获取空间信息提供了简单有效手段。
根据载体的不同， IIDAR 技术主要分地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术两大类， 顾名思义， 地面二维激光扫描系统的空间载体是地面， 类似于传统的地面近景摄影测量。它将激光扫描仪直接与数码相机、GPS 相结合， 对目标物进行扫描成像， 获取激光反射回波数据和目标表面影像， 并在软件支持下构建三维数字模型和纹理的精确贴加， 从而达到目标物快速、有效、精确的三维立体建模。经过改装， 地面三维激光扫描系统不但可以安置在固定设备上， 也可以装载在运动的汽车上， 进行连续的二维场景和目标形态的空间数据采集。
机载激光雷达系统则是一款高速度、高性能、长距离的航空测量设备， 该系统由激光测高仪、GPS 定位装置、IMU（ 惯性制导仪） 和高分辨率数码照相机组成， 实现对目标物的同步测量。测量数据通过特定方程解算处理， 生成高密度的三维激光点云数值， 为地形信息的提取提供精确的数据源。
2、激光雷达时测易的原理
与普通光波相比， 激光具有方向性好、单色性好、相干性好等特点， 不易受大气环境和太阳光线的影响。使用激光进行距离量测可大大提高了数据采集的可靠性和抗干扰能力。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时， 其中一部分光会反射回去， 而被激光雷达所配备的接收器所接收。当仪器计算出光由激光器射出到返回到接收器的时间为2t 后， 那么， 激光器到反射物体的距离（ d） = 光速（ c） ×时间（t）/2。
在LIDAR 系统中， 结合GPS 得到的激光器位置坐标信息，工NS 得到的激光方向信息， 就可以准确地计算出每一个激光点的大地坐标X、Y、Z， 大量的激光点聚集成激光点云， 组成点云图像。这就是机载激光雷达的测高原理。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲， 拿频率为每秒一万次脉冲的系统来说， 接收器将会在一分钟内记录六十万个点， 数口相当可观。很多LADAR 系统还能记录同一脉冲的多次反射，激光束可能先打在树冠的顶端， 其中的一部继续向下打在更多的树叶或枝干上， 有些甚至打在地面上被返回， 这样就会有一组多次返回的具有X、Y、Z 坐标的点记录， 并分层表示。利用这个特点， 我们可以通过分类和滤波处理， 获取地面高程， 以及树高及建筑物的高度等信息。利用机载工ADAR 系统进行测高作业， 根据不同的航高， 其平面精度可以达到0.15～1m， 高程精度可达到10～30cm， 地面分辨率甚至可达到厘米级。可以说， 机载LIDAR 系统是为综合航摄影像和空中数据定位而设计的新技术手段， 它能为测绘工程、数字地图和GIS 应用快速提供精确的空间坐标信息和三维模型信息。
3、激光雷达技术在测绘中的应用
3.1 快速获取数字高程模型
LIDAR 技术最主要的数据产品是高密度、高精度的激光点云数据， 该数据直接反映点位的三维坐标。通过自动或人工交互处理， 把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目标上的点云进行分类、滤波或去除， 然后构建不规则二角网TIN， 就可以快速提取DEM。由于激光点密度大， 数目多， 使得生产高精度、高分辨率的DEM 也成为可能， 因此它是解决快速进行DEM 数据采集的最有效方法， 其产品精度甚至可以满足多行业对高程的需求。
3.2 基础测绘的实施
除了数字高程模型， 基础测绘的“4D”产品还包括数字正射影像（ DOM） 、数字线划地图（ DLG） 和数字栅格地图（ DRG） 。对于DOM 和DLG 两种产品， 其生产也不能缺乏高精度三维信息的支持。
例如：DOM 是在DEM 提供精确的地形信息的前提下， 进行数字微分纠正得到的。如果没有可靠的DEM 资料， 传统生产DOM 方法是通过数字摄影测量的方法实现的。数字摄影测量作业工序繁琐， 设备要求和技术路线非常严格对生产人员的技能要求比较高； 而机载激光雷达优化技术提取的地面三维坐标， 完全满足高精度影像微分纠正的需要， 使得DOM 的生产变得相当容易， 可以无需使用数字摄影测量这种昂贵的专业平台， 在一般的遥感图像处理系统中即能实现规模化生产。此外， 高精度的激光点云数据还直观反映植被和地物的三维信息， 利用这些资源， DLG 地形地物的判读和量测更加准确， 数据的采集变得更加容易。
3.3 精密工程测量
很多精密工程测量， 都需要采集测量目标的高精度三维坐标信息， 甚至需要建立精确的三维物体模型， 比如： 电力选线、矿山和隧道测量、水文测量、沉降测量、建筑测量、变形测量、文物考古等等行业。地面和机载LIDAR 就是解决这种实际问题的最有效手段。通过数码像片获取的纹理信息与构筑物模型进行叠加构建三维模型， 是进行景观分析、规划决策、形变量测、物体保护的重要依据。
例如： LIDAR 技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型DEM， 以方便线路设计和施工土方量的精确计算。在进行电力线路设计时， 通过LIDAR 的成果数据可以了解整个线路设公共区域内的地形和地物要素情况。在树木密集处， 可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力线抢修和维护时， 根据电力线路上的LIDAR 数据点和相应的地面点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度， 这样就可以便于抢修和维护。
3.4 数字城市建设
数字城市是21 世纪以来， 很多地方正在力争构建的信息化目标。空间信息作为数字城市的基础框架和平台， 是构建数字城市的重要研究课题。LIDAR 系统可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像， 提供了构建数字城市最宝贵的空间信息资源， 因此是数字城市建设的重要技术力量。
数字城市还需要构建高精度、真三维、可量测， 具有真实感的城市三维模型作为管理城市的虚拟平台。但是采用传统技术， 进行城市三维建模是精雕细琢的工艺， 工作量很大， 效率非常低， 而且效果并不好， 影响了数字城市服务面的宽度和深度。利用LIDAR 技术对地面建筑物进行空中激光扫描或地面多角度激光扫描， 可以快速获取目标高密度高精度的三维点坐标，在软件支持下对点云数据进行模型构建和纹理映射， 多方面地构建大面积的城市三维模型。并可以实施快速动态史新， 为数字城市建设基础数据源的持续性、历史性提供了确实的保障
