無人機探地雷達國內(nèi)外應用探析

孫東風

（北京歐華聯(lián)科技有限責任公司，北京102200）

由于傳統(tǒng)的地面探地雷達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、水面測量）或測量人員無法到達條件下實施困難。近年來瑞典Radarteam 地質(zhì)雷達公司成功研制出COBRA 無人機探地雷達天線。該天線采用空氣耦合技術，具有體積小、重量輕等顯著特點，為無人機探地雷達應用提供了必要的使用條件?；贑OBRA無人機探地雷達以上優(yōu)點探討未來無人機探地雷達的應用前景及展望。

1 方法原理及應用

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

2 Cobra 探地雷達搭載無人機的可行性研究

瑞典Cobra 無人機探地雷達系統(tǒng)由無人機、控制單元、數(shù)據(jù)記錄器及探地雷達天線組成。基于以下幾個方面對COBRA 探地雷達搭載到無人機可行性研究：

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

（2）采用空氣耦合，無空氣震蕩效應?？梢噪x地面一定距離進行測量，傳統(tǒng)的地面耦合只能在地面拖動測量，該技術的實現(xiàn)為探地雷達搭載到無人機上提供了先決條件。

（3）采用實時采樣技術，等效采樣的探地雷達其極限探測深度為10 倍發(fā)射雷達子波波長。由于Cobra 采用實時采樣技術提升了一倍以上探測深度，那么以常見的介電常數(shù)9 來計算的話理論上搭載SE-40 天線的探測深度應該在40m 以上。對地質(zhì)雷達反射信號進行實時、逐點、順序采樣，即一個反射信號周期完成后，采樣的同時完成儲存，完全保證了地質(zhì)雷達反射信號的真實性,高達每秒32000 疊加次數(shù)，大大的提高了分辨率及勘探深度。

綜合以上技術特點該探地雷達系統(tǒng)具備搭載到無人機進行測量的技術要求。無人機地質(zhì)雷達裝置如圖1 所示。

圖1 COBRA 無人機地質(zhì)雷達裝置示意圖

3 無人機地質(zhì)雷達測量技術要求研究

傳統(tǒng)的地面探地雷達測量時，需要考慮地雷達天線中心頻率、測線布設、測線定位、測試速率、電磁波傳播速度等幾個技術要點。但無人機探地雷達對測量技術有更多的技術要求。無人機飛行的穩(wěn)定性、飛行速度、飛行高度、風速都可能對測量結果好壞有一定影響。就上述幾個方面對無人機探地雷達技術的要求進行探討：

（1）飛行高度要求：一般要求無人機是盡可能低飛。當飛行高度小于與探地雷達中心頻率相對應的電磁波長時，將獲得較好的測量結果。

如果測量區(qū)域有樹木或其它高大的植被，是否可以利用無人機地質(zhì)雷達進行測量做了如圖2 測量試驗。

圖2 45-50 米飛行高度采集的探地雷達結果

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

簡單的公式可以用來計算建議的高度（或空氣中的波長）以米為單位：

高度=300/[GPR 中心頻率為兆赫]

（2）飛行速度要求：主要原因是無人機高速轉動。GPR 的天線體積較大，在高速飛行過程中由于受到空氣的阻力，導致無人機飛行的不穩(wěn)定或者振蕩。如果使用DJI M600 Pro 無人機和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）風速要求：無人機的振蕩往往會產(chǎn)生噪音甚至獲得無用的數(shù)據(jù)。風速和陣風是無人機探地雷達飛行的限制因素，5 米/s以上的風速會使無人機的飛行穩(wěn)定性大大降低。建議在無風或者風速很小的條件下進行測量。

（4）飛行測線設置要求：無人機雷達測量過程中在每條測線的起點和終點，無人機都會加速和減速。在這時間段內(nèi)，無人機會稍微向前擺動（在U 型轉彎后，會稍微向一個垂直方向擺動）都將帶來一定的噪聲。要想獲得較好的數(shù)據(jù)需要把測量線延伸到指定的測量區(qū)域以外。使測量的超過測線長度可以用一個簡單的公式來估算：5mx[飛行速度]。例如，2m/s 的飛行速度的人使用10 m 以上的超測線長度。這個距離將足以加速和穩(wěn)定無人機的飛行姿態(tài)。

4 無人機雷達探測湖床實例

該測量實例利用DJI M600 Pro無人機搭載Radarteam SE-150 天線無人機地質(zhì)雷達系通進行測量，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 接收機進行野外實時數(shù)據(jù)采集，定位精度小于30cm。野外測量飛行線路如圖3 所示。

圖3 野外測量飛行線路圖

圖4 為無人機探地雷達在某地區(qū)的試驗結果。通過測量結果可以清晰湖水水底界面的強反射層，通過已知點的湖水深度校正設置介電常數(shù)，可以準確確定整個探測區(qū)域的水深。通過此次試驗可以證明無人機探地雷達應用在水深測量中具有很好的效果。

圖4 2 號測線野外測量成果圖

5 結論

實際應用證明無人機探地雷達可以解決很多地面探地雷達難以解決的工程地質(zhì)問題，無人機雷達探測速度更快，測量效率高，可以在任何地形條件下測量。如何解決無人機飛行的穩(wěn)定性、避免無人機飛行帶來的干擾、無人機探地雷達實現(xiàn)實時傳輸數(shù)據(jù)，如何建立地面與無人機探地雷達實時傳輸并成像等工作。還需要做進一步的試驗和大量的研究工作，無人機探地雷達未來具有很好的應用前景。