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电磁波隐身技术的发展黄志洵 【摘要】：论述了“对电磁波隐身”这一研究领域的由来和发展，指出它必将对雷达技术引起一场革命。对于作战用飞行器，本文以美国隐形飞机F—117为例，详细分析了其隐身原理和设计思想。并指出，对飞行器的有关水平宜用两个技术指标加以描绘，即“迎头散射截面平均值”（σa）和“侧向散射截面平均值”（σb）。讨论了吸波材料的作用和应用方法。指出了近年来理论工作的某些动向；特别讨论了导波理论研究对RCS计算（以及降低RCS值）的意义。【关键词】： 雷达散射截面 雷达吸波材料 隐形飞机 飞行器可发现距离 加衬波导 【分类号】：【DOI】：CNKI:SUN:【正文快照】： 电磁波隐身技术的发展黄志洵（广播电视传输系）〔摘要〕论述了“对电磁波隐身”这一研究领域的由来和发展，指出它必将对雷达技术引起一场革命。对于作战用飞行器，本文以美国隐形飞机F—117为例，详细分析了其隐身原理和设计思想。并指出，对飞行器的有关水平宜用两个全文下载： CAJ格式 （推荐） PDF格式 不支持迅雷等加速下载工具，请取消加速工具后下载 阅读器支持所有CNKI文件格式，AdobeReader仅支持PDF格式 平安车险，网购－方便，省钱15%，还有大奖 应届毕业生撰写“英文简历”& 英语面试技巧下载 【引证文献】 中国期刊全文数据库 前1条 1 毛倩瑾,周美玲,陆山,戴瑶;导电高聚物吸波材料的研究进展[J];北京工业大学学报;2004年04期 中国硕士学位论文全文数据库 前2条 1 汪飞艳;溶胶—凝胶法制备Fe/TiO_2复合薄膜及性能研究[D];华中科技大学;2006年 2 邓科;高分子化二茂铁吸波材料的分子设计、合成与性能研究[D];四川师范大学;2007年 【共引文献】 中国期刊全文数据库 前10条 1 张勇军,王龙根,何国瑜;GTEM小室放置被测物后的场分布[J];宇航计测技术;2001年01期 2 黄卡玛,李颖,刘宁,袁渊,陈星,王可,马永东;近年来弱电磁场(波)生物效应机理研究的进展[J];中国医学物理学杂志;2000年01期 3 孟萃,陈雨生,王建国;瞬态电磁场对多孔洞目标耦合规律的数值研究[J];强激光与粒子束;2000年06期 4 汪杰,洪伟;弯曲波导广义散射参数的快速精确计算[J];微波学报;2000年02期 5 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激光发展史激光以全新的姿态问世已二十余年。然而，发明激光器的历程却鲜为人知，至于发明者如何从事艰难曲折的探索，就更少人问津了。其实，每一项重大发明，都是科学家们智慧的结晶，里面包涵着他们的汗水和心血。自然，激光器的发明也不例外。 说得准确些，对激光的研究，只是到了20世纪50年代末才出现一个崭新阶段。在此之前，人们只对无线电波和微波有较深研究。科学家们把无线电波波长缩短到十米以内，使得世界性的通讯成为可能，那是30年代的事情。后来，随着速调管和空穴磁控管的发明，科学家便对厘米波的性质进行研究。二次世界大战中，由于射频和光谱学的发展，辐射波和原子只间的联系又重新被强调。大战期间，科学家们发明并研制了雷达（战争对雷达的制造起了推动的作用）。从技术本身来说，雷达是电磁波向超短波、微波发展的产物。大战以后，科学家又开创了微波波谱学，目的是探索光谱的微波范围并把其推广到更短的波长。当时，哥仑比亚大学有一个由汤斯（）领导的辐射实验小组，他们一直从事电磁方面以及毫米辐射波的研究。1951年，汤斯提出了微波激射器（Maser全称Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的概念。经过几年的努力，1954年汤斯和他的助手高顿（J. Cordon）、蔡格(H. Zeiger)发明了氨分子束微波激射器并使其正常运行。这为以后激光器的诞生奠定了基础。当时，汤斯希望微波激射器能产生波长为半毫米的微波，遗撼的是，激射器却输出波长为1。25cm的微波。微波激射器问世以后，科学家就希望能制造输出更短波长的激射器。汤斯认为可将微波推到红外区附近，甚至到可见光波段。1958年，肖洛（）与汤斯合作，率先发表了在可见光频段工作的激射器的设计方案和理论计算。这又将激光研究推上了一个新阶段。现在，人们都知道，产生激光要具备两个重要条件：一是粒子数反转；二是谐振腔。值得注意的是，自1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念以后，1940年前后就有人在研究气体放电实验中，观察到粒子反转现象。按当时的实验技术基础，就具备建立某种类型的激光器的条件。但为什么没能造出来呢？因为没有人，包括爱因斯坦本人没把受激辐射，粒子数反转，谐振腔联系在一起加以考虑。因而也把激光器的发明推迟了若干年。在研究激光器的过程中，应把引进谐振腔的功劳归于肖洛。肖洛长期从事光谱学研究。谐振腔的结构，就是从法——珀干涉仪那里得到启示的。正如肖洛自己所说：“我开始考虑光谐振器时，从两面彼此相向镜面的法——珀干涉仪结构着手研究，是很自然的。”实际上，干涉仪就是一种谐振器。肖洛在贝尔电话实验室的七年中，积累了大量数据，于1958年提出了有关激光的设想。几乎同时，许多实验室开始研究激光器的可能材料和方法，用固体作为工作物质的激光器的研究工作始于1958年。如肖洛所述：“我完全彻底地受到灌输，使我相信，可以在气体中做的任何事情，在固体中同样可以做，且在固体中做得更好些。因此，我开始探索、寻找固体激光器的材料…...”的确，不到一年，在1959年9月召开的第一次国际量子电子会议上，肖洛提出了用红宝石作为激光的工作物质。不久，肖洛又具体地描述了激光器的结构：“固体微波激射器的结构较为简单，实质上，它有一棒（红宝石），它的一端可作全反射，另一端几乎全反射，侧面作光抽运。”遗撼的是，肖洛没有得到足够的光能量使粒子数反转，因而没获成功。可喜的是，科学家迈曼（）巧妙地利用氙灯作光抽运，从而获得粒子数反转。于是，1960年6月，在Rochester大学，召开了一个有关光的相干性的会议，会议上，迈曼成功地操作了一台激光器。7月份，迈曼用红宝石制成的激光器被公布于众。至此，世界上第一台激光器宣告诞生。激光具有单色性，相干性等一系列极好的特性。从诞生那天开始，人们就预言了它的美好前景。20多年来，人们制造了输出各种不同波长的激光器，甚至是可调激光器。大功率激光器的研制成功，又开拓了新的领域。1977年出现的自由电子激光器，机制则完全不同，它的工作物质是具有极高能量的自由电子，人们可以期望通过这种激光器，实现连续大功率输出，而且覆盖频率范围可向长短两个方向发展。现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。 能发1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年.肖洛和.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（ 见光学谐振腔）3部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。 激光工作物质 是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。 激励(泵浦)系统 是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。 激光器的种类是很多的。下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类介绍。 按工作物质分类 根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体（晶体和玻璃）激光器，这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；②气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用；④半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；⑤自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。 按激励方式分类 ①光泵式激光器。指以光泵方式激励的激光器，包括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器。②电激励式激光器。大部分气体激光器均是采用气体放电（直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入）方式进行激励，而一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励，某些半导体激光器亦可采用高能电子束注入方式激励。③化学激光器。这是专门指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器，反希望产生的化学反应可分别采用光照引发、放电引发、化学引发。④核泵浦激光器。指专门利用小型核裂变反应所释放出的能量来激励工作物质的一类特种激光器，如核泵浦氦氩激光器等。 按运转方式分类 由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。①连续激光器，其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属此类。由于连续运转过程中往往不可避免地产生器件的过热效应，因此多数需采取适当的冷却措施。②单次脉冲激光器，对这类激光器而言，工作物质的激励和相应的激光发射，从时间上来说均是一个单次脉冲过程，一般的固体激光器、液体激光器以及某些特殊的气体激光器，均采用此方式运转，此时器件的热效应可以忽略，故可以不采取特殊的冷却措施。③重复脉冲激光器，这类器件的特点是其输出为一系列的重复激光脉冲，为此，器件可相应以重复脉冲的方式激励，或以连续方式进行激励但以一定方式调制激光振荡过程,以获得重复脉冲激光输出,通常亦要求对器件采取有效的冷却措施。④调激光器,这是专门指采用一定的 开关技术以获得较高输出功率的脉冲激光器，其工作原理是在工作物质的粒子数反转状态形成后并不使其产生激光振荡 (开关处于关闭状态)，待粒子数积累到足够高的程度后，突然瞬时打开 开关，从而可在较短的时间内（例如10～10秒）形成十分强的激光振荡和高功率脉冲激光输出（见技术'" class=link>激光调 技术）。⑤锁模激光器，这是一类采用锁模技术的特殊类型激光器，其工作特点是由共振腔内不同纵向模式之间有确定的相位关系，因此可获得一系列在时间上来看是等间隔的激光超短脉冲（脉宽10～10秒）序列，若进一步采用特殊的快速光开关技术，还可以从上述脉冲序列中选择出单一的超短激光脉冲（见激光锁模技术）。⑥单模和稳频激光器，单模激光器是指在采用一定的限模技术后处于单横模或单纵模状态运转的激光器，稳频激光器是指采用一定的自动控制措施使激光器输出波长或频率稳定在一定精度范围内的特殊激光器件，在某些情况下，还可以制成既是单模运转又具有频率自动稳定控制能力的特种激光器件（见激光稳频技术）。⑦可调谐激光器，在一般情况下，激光器的输出波长是固定不变的，但采用特殊的调谐技术后，使得某些激光器的输出激光波长，可在一定的范围内连续可控地发生变化，这一类激光器称为可调谐激光器（见激光调谐技术）。 按输出波段范围分类 根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光器区分为以下几种。①远红外激光器，输出波长范围处于25～1000微米之间, 某些分子气体激光器以及自由电子激光器的激光输出即落入这一区域。②中红外激光器，指输出激光波长处于中红外区(～25微米)的激光器件,代表者为CO分子气体激光器(微米)、 CO分子气体激光器（5～6微米）。③近红外激光器,指输出激光波长处于近红外区（～微米）的激光器件，代表者为掺钕固体激光器（微米）、CaAs半导体二极管激光器(约 微米)和某些气体激光器等。④可见激光器，指输出激光波长处于可见光谱区（4000～7000埃或～微米）的一类激光器件，代表者为红宝石激光器 （6943埃）、 氦氖激光器（6328埃）、氩离子激光器（4880埃、5145埃）、氪离子激光器（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可调谐染料激光器等。⑤近紫外激光器，其输出激光波长范围处于近紫外光谱区（2000～4000埃），代表者为氮分子激光器(3371埃)氟化氙(XeF)准分子激光器（3511埃、3531埃）、 氟化氪(KrF)准分子激光器(2490埃)以及某些可调谐染料激光器等⑥真空紫外激光器,其输出激光波长范围处于真空紫外光谱区(50～2000埃）代表者为（H）分子激光器 (1644～1098埃)、氙(Xe)准分子激光器（1730埃）等。⑦X射线激光器, 指输出波长处于X射线谱区（～50埃）的激光器系统，目前软X 射线已研制成功，但仍处于探索阶段[编辑本段]激光器的发明 激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至X射线和γ射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。 激光器的诞生史大致可以分为几个阶段，其中1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。 此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明，这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基础。20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。 如果一个系统中处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数，就出现了粒子数的反转状态。那么只要有一个光子引发，就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会引发其他原子受激辐射，这样就实现了光的放大；如果加上适当的谐振腔的反馈作用便形成光振荡，从而发射出激光。这就是激光器的工作原理。1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后，美国物理学家查尔斯·汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。 然而上述的微波波谱学理论和实验研究大都属于“纯科学”，对于激光器到底能否研制成功，在当时还是很渺茫的。 但科学家的努力终究有了结果。1954年，前面提到的美国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器，成功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。 汤斯等人研制的微波激射器只产生了厘米波长的微波，功率很小。生产和科技不断发展的需要推动科学家们去探索新的发光机理，以产生新的性能优异的光源。1958年，汤斯与姐夫阿瑟·肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键性建议，并预防了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同期，巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。 此后，世界上许多实验室都被卷入了一场激烈的研制竞赛，看谁能成功制造并运转世界上第一台激光器。 1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。 “梅曼设计”引起了科学界的震惊和怀疑，因为科学家们一直在注视和期待着的是氦氖激光器。 尽管梅曼是第一个将激光引入实用领域的科学家，但在法庭上，关于到底是谁发明了这项技术的争论，曾一度引起很大争议。竞争者之一就是“激光”(“受激辐射式光频放大器”的缩略词)一词的发明者戈登·古尔德。他在1957年攻读哥伦比亚大学博士学位时提出了这个词。与此同时，微波激射器的发明者汤斯与肖洛也发展了有关激光的概念。经法庭最终判决，汤斯因研究的书面工作早于古尔德9个月而成为胜者。不过梅曼的激光器的发明权却未受到动摇。 1960年12月，出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器——氦氖激光器。1962年，有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。1966年，科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外，还有输出能量大、功率高，而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。 由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。比如，人们利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工，能够做到在一个针头上钻200个孔；激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在医疗、农业的实际应用上取得了良好效果；在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆，可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量；激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。 今后，随着人类对激光技术的进一步研究和发展，激光器的性能将进一步提升，成本将进一步降低，但是它的应用范围却还将继续扩大，并将发挥出越来越巨大的作用。
你不应该这这问吧
本文仅供学习使用，并非商业用途，全文是针对哈尔滨工业大学刘文之的论文《移动机器人的路径规划与定位技术研究》进行提炼与学习。论文来源中国知网，引用格式如下： [1]刘文之. 基于激光雷达的SLAM和路径规划算法研究与实现[D].哈尔滨工业大学,2018.
相关坐标系转换原理已经在前一篇文章写完了，直接上转换方程。
这里他的运动模型选择的是基于里程计的运动模型，还有一种基于速度的运动模型，其实都差不多，整体思想都一样。里程计是通过计算一定时间内光电编码器输出脉冲数来估计机器人运动位移的装置，主要是使用光电码盘。根据光电码盘计算出此时轮子的速度，然后通过已知的轮子半径来获得单位时间 每个轮子 的位移增量。
高等数学可知单位时间位移增量就是速度，对速度在一定时间上进行积分就得到这一段时间所走过的路程。
根据上图，我们可以求出来机器人航向角角速度、圆弧运动半径和机器人角度变化量，由此可以解的机器人在当前时刻的位姿。
实际上也是有误差，所以单独依靠里程计会与实际结果产生较大误差，所以必须引入其他的外部传感器对外部环境的观测来修正这些误差，从而提高定位精度。
首先肯定需要将激光雷达所测得的端点坐标从极坐标、机器人坐标中转换到世界坐标中。
这张略过，暂时不需要看这个
路径规划算法介绍：
因为该算法会产生大量的无用临时途径，简单说就是很慢，所以有了其他算法。
了解两种代价之后，对于每一个方块我们采用预估代价与当前路径代价相加的方法，这样可以表示每一个路径点距离终点的距离。在BFS搜索过程的基础上，优先挑选总代价最低的那个路径进行搜索，就可以少走不少弯路。（算法讲解 ）
在局部路径规划算法之中，我们选用DWA算法（dynamic window approach），又叫动态窗口法。动态窗口法主要是在速度(v, w)空间中采样多组速度，并模拟机器人在这些速度下一定时间内的轨迹。在得到多组轨迹后，对这些轨迹进行评价，选取最优的轨迹所对应的速度来驱动机器人运动。 state sampling就是按照之前给出的全局路径规划，无论是Dijkstra还是A* 都可以方便的得到state sampling，DWA算法所需要提前建立的action sampling有两种：
但是无论是什么情况，上述所做的工作就是把机器人的位移转化到世界坐标中来，而不是机器人坐标系。速度采样结束之后，只需要对小车的轨迹进行评判，就可以得到最优解了。下面介绍速度采样的办法。
对速度进行采样一般有以下三个限制：
当确定了速度范围之后，就需要根据速度分辨率来对小车速度离散化，在每一时刻将小车在不同直线速度角速度组合下所即将要行驶的距离都可视化出来。
其中每一条轨迹都是很多小直线连接起来的。
需要用评价函数来对上述轨迹进行选择，选择最适合的轨迹
最后为了让三个参数在评价函数里所发挥的作用均等，我们使用归一化处理来计算权重。
算法流程整体如下：
本文仅供学习使用，并非商业用途，全文是针对哈尔滨工业大学刘文之的论文《移动机器人的路径规划与定位技术研究》进行提炼与学习。论文来源中国知网，引用格式如下： [1]刘文之. 基于激光雷达的SLAM和路径规划算法研究与实现[D].哈尔滨工业大学,2018.
相关坐标系转换原理已经在前一篇文章写完了，直接上转换方程。
这里他的运动模型选择的是基于里程计的运动模型，还有一种基于速度的运动模型，其实都差不多，整体思想都一样。里程计是通过计算一定时间内光电编码器输出脉冲数来估计机器人运动位移的装置，主要是使用光电码盘。根据光电码盘计算出此时轮子的速度，然后通过已知的轮子半径来获得单位时间 每个轮子 的位移增量。
高等数学可知单位时间位移增量就是速度，对速度在一定时间上进行积分就得到这一段时间所走过的路程。
根据上图，我们可以求出来机器人航向角角速度、圆弧运动半径和机器人角度变化量，由此可以解的机器人在当前时刻的位姿。
实际上也是有误差，所以单独依靠里程计会与实际结果产生较大误差，所以必须引入其他的外部传感器对外部环境的观测来修正这些误差，从而提高定位精度。
首先肯定需要将激光雷达所测得的端点坐标从极坐标、机器人坐标中转换到世界坐标中。
这张略过，暂时不需要看这个
路径规划算法介绍：
因为该算法会产生大量的无用临时途径，简单说就是很慢，所以有了其他算法。
了解两种代价之后，对于每一个方块我们采用预估代价与当前路径代价相加的方法，这样可以表示每一个路径点距离终点的距离。在BFS搜索过程的基础上，优先挑选总代价最低的那个路径进行搜索，就可以少走不少弯路。（算法讲解 ）
在局部路径规划算法之中，我们选用DWA算法（dynamic window approach），又叫动态窗口法。动态窗口法主要是在速度(v, w)空间中采样多组速度，并模拟机器人在这些速度下一定时间内的轨迹。在得到多组轨迹后，对这些轨迹进行评价，选取最优的轨迹所对应的速度来驱动机器人运动。 state sampling就是按照之前给出的全局路径规划，无论是Dijkstra还是A* 都可以方便的得到state sampling，DWA算法所需要提前建立的action sampling有两种：
但是无论是什么情况，上述所做的工作就是把机器人的位移转化到世界坐标中来，而不是机器人坐标系。速度采样结束之后，只需要对小车的轨迹进行评判，就可以得到最优解了。下面介绍速度采样的办法。
对速度进行采样一般有以下三个限制：
当确定了速度范围之后，就需要根据速度分辨率来对小车速度离散化，在每一时刻将小车在不同直线速度角速度组合下所即将要行驶的距离都可视化出来。
其中每一条轨迹都是很多小直线连接起来的。
需要用评价函数来对上述轨迹进行选择，选择最适合的轨迹
最后为了让三个参数在评价函数里所发挥的作用均等，我们使用归一化处理来计算权重。
算法流程整体如下：
稀疏成份分析及在雷达成像处理中的应用稀疏成份分析是一种新兴的信号分析方法。它以过完备词典为基础，能从有限的观测数据中获得信号的稀疏表示，有效地挖掘信号的自然属性和本质的驱动源，提高变换域的分辨率，为信号处理提供了有力的工具。作为信号处理的重要组成部分，雷达成像技术无论在军事还是民用上都有巨大的应用潜力。雷达成像本质上就是一个信号表示过程，由于高频区雷达目标散射行为具有局部特性，用稀疏成份分析方法能提高雷达图像的质量，有利于图像分析和目标识别。针对雷达成像的应用背景，本文研究了稀疏成份分析中稀疏性度量函数构造的一般准则等理论问题，以及基于稀疏成份分析的雷达成像算法，包括一维距离像、二维逆合成孔径雷达成像和多频段雷达信号综合技术等。研究了稀疏成份分析中度量函数的构造和算法分析等理论问题。利用稀疏成份分析方法研究了高分辨一维距离像稀疏表示的原子构造与相关算法，并对算法的参数估计性能进行了理论分析。研究了基于稀疏成份分析的逆合成孔径雷达成像算法。根据雷达目标散射信号的稀疏表示模型，研究了多频段多分辨雷达信号综合技术。根据雷达目标的理想点散射体模型和几何绕射模型，分析了多频段雷达回波观测信号的联系与差别，并利用稀疏成份分析方法提出了高分辨一维距离像的多频段信号综合成像技术。针对多频段窄带组网雷达检测海上目标的应用背景，根据雷达目标在低分辨回波中的稀疏分布特性和海杂波的分布特性，提出了多雷达距离分辨率匹配处理技术，提高了雷达回波的距离分辨率并实现了多雷达距离分辨率的匹配统一，为多频段窄带雷达信号综合提供了统一的基础。
你可以往南京信息工程大学大气科学院投稿，这个是专门搞气象的专业，有许多资深的教授，应该会对你有所帮助。
因为现在的雷达图像技术已经有了自己非常高的成就了，想要在取得一些好成绩就比较困难了，所以只能通过自己的努力去发现一些新的成就来去发一些文章。一定要确定自己做的东西是有用的，如果仅仅为了发文章而做研究，你的日子会很难过，遇到困难也不容易坚持，所以现在做科研也是要讲究一份恒心的，一定要坚持自己的初心，一定要去努力的开发自己的潜能，去取得一些成就，然后也是一个十分不错的选择。而且现在的科研环境也是相对于以前来说比较好的，有人自己的充足的科研资金。希望我的回答对你有所帮助。
中学生?投稿气象论文?最多是气象科普吧?气象学专业大学要学四年,毕业以后工作一段时间才能写出象样子的气象论文，你一初中的,要写气象的论文?你学过下面这些书吗?《气象学》《高等气象学》《能量学》《流体力学》《动力气象学》《气候学》《大气物理》《数学物理方法》《天气学分析》《概率统计》《电磁学》《牛顿力学》《经典力学》《雷达气象学》《卫星云图的识别》《大学物理》《高等数学》123册 等等近20多本专业性较强的书籍这些是写气象论文的基础,你对气象感兴趣的好事，而你现在该做的是保持兴趣，然后考个比一本高个30到50分的成绩，再去读〈大气科学〉专业四到六年，之后你自然就知道气象论文的投稿地址了。你如果现在投稿，最多能投 〈气象知识〉〈气象科普〉等小杂志，人切不可好高骛远，气象方面的东西，有严格的理论基础，一句话在外行看来没有什么，可往往简单的一句话甚至一个字，就会让内涵笑话了，没有基础，你根本发不了科普气象知识，更别提什么 气象论文了。气象论文可以发在《SCI》，一篇论文可以拿博士学位，要全英文，而且你在的学校会奖励你超过两万的奖金！气象论文，岂是儿戏！ 也许对你批评严厉了些,先教你论文的格式,有兴趣是好事情,欢迎几加入气象大家庭论文其实就是一种文章,就一种讨论某种问题或研究某种问题的文章。它有自己独有的论文格式。 下面就是标准的论文格式： 1、论文格式的论文题目：（下附署名）要求准确、简练、醒目、新颖。 2、论文格式的目录 目录是论文中主要段落的简表。（短篇论文不必列目录） 3、论文格式的内容提要： 是文章主要内容的摘录，要求短、精、完整。字数少可几十字，多不超过三百字为宜。 4、论文格式的关键词或主题词 关键词是从论文的题名、提要和正文中选取出来的，是对表述论文的中心内容有实质意义的词汇。关键词是用作计算机系统标引论文内容特征的词语，便于信息系统汇集，以供读者检索。每篇论文一般选取3-8个词汇作为关键词，另起一行，排在“提要”的左下方。 主题词是经过规范化的词，在确定主题词时，要对论文进行主题分析，依照标引和组配规则转换成主题词表中的规范词语。（参见《汉语主题词表》和《世界汉语主题词表》）。 5、论文格式的论文正文： （1）引言：引言又称前言、序言和导言，用在论文的开头。引言一般要概括地写出作者意图，说明选题的目的和意义, 并指出论文写作的范围。引言要短小精悍、紧扣主题。 〈2〉论文正文：正文是论文的主体，正文应包括论点、论据、论证过程和结论。主体部分包括以下内容： a.提出问题-论点； b.分析问题-论据和论证； c.解决问题-论证方法与步骤；d.结论。 6、论文格式的参考文献 一篇论文的参考文献是将论文在研究和写作中可参考或引证的主要文献资料，列于论文的末尾。参考文献应另起一页，标注方式按《GB7714-87文后参考文献著录规则》进行。 中文：标题--作者--出版物信息（版地、版者、版期） 英文：作者--标题--出版物信息 所列参考文献的要求是：（1）所列参考文献应是正式出版物，以便读者考证。 （2）所列举的参考文献要标明序号、著作或文章的标题、作者、出版物信息。 按照上边的论文格式来写，可以使你的论文更加容易被读者了解，被编辑采纳。
如果你想做技术，那么就别研究太多了，信号与信息处理已经够大了，因为我们公司是做雷达传感器的，感觉对后端DSP处理的人才需求还比较大，并且国内这一领域高手并不是特别多，举个简单的列子，国内外对同一个雷达传感器前端模块进行处理，国外可以到达毫米级别的精度，但国内一般情况都达不到这个精度，所以说信号处理，以及一些高级算法上面还是有值得学习和研究的地方。并且如果真能研究深透，估计对你以后成为行业里面的专家也不无可能。
探地雷达是一种高分辨率探测技术,可以对浅层地质问题进行详细填图,也可以对地下浅部埋藏的目的体进行无损检测。由于电子技术与数字处理技术的发展,使探地雷达的分辨率与探测深度大大提高,探地雷达已在工程地质勘察、灾害地质调查、地基基础施工质量检测、考古调查、管线探测、公路工程质量检测等多个领域中得到了广泛应用。下面介绍探地雷达在两个领域中的应用。
（一）探地雷达在工程地质勘察中的应用
大型工程建筑对地基质量要求很高,当地下工程地质条件横向变化较大时,常规的钻探工作由于只能获得点上的资料,无法满足基础工程施工对地质条件的要求,而探地雷达由于能对地下剖面进行连续扫描,因而在工程地质勘察中得到了广泛的应用。
1.基岩面的探地雷达探测
高层建筑对地基的附加应力影响深、范围广,对地基土的承载力要求高。当场地的地基土层软弱,而在其下不太深处又有较密实的基岩持力层时,常常采用进入基岩的桩基础,在基岩面起伏剧烈地区,详细描述基岩面的起伏对桩基础设计有重要意义。
图3-53 灰岩与覆盖地层的探地雷达图像
广州同德花园位于广州西北郊同德乡广佛高速公路旁。第四系覆盖在基岩（灰岩）上,第四系为淤泥、粉质黏土与砂,比较松软；其下为灰岩,有较高的承载力。建筑物拟采用预制桩桩基础。在楼址范围 m× 内,基岩深度为18～ m,高差达,为此需要详细调查基岩面的起伏。由于灰岩与上覆地层之间电性差异大,探地雷达图像中灰岩极易识别,图3-53为该场地地层的探地雷达图像,图中灰岩反射波特征明显。
图3-54是由探地雷达测量结果绘制的基岩等深图。该场地西北角为基岩深凹陷,基岩面起伏最大之处,在10m水平距离内基岩面高差可达19m。显然,用钻探很难控制基岩面的剧烈起伏,上述结果表明,应用探地雷达探测基岩起伏效果明显。
图3-54 同德花园10栋基岩等深图（单位：m）
2.岩溶地区的探地雷达探测
岩溶（又称喀斯特）是指碳酸盐岩等可溶性岩层受水的化学和物理作用所产生的沟槽裂隙和空洞,以及由于空洞顶板塌落使地表产生陷穴、洼地等现象和作用的总称。
在岩溶地区进行工程地质勘察的主要目的是查明建筑场地范围内岩溶的分布、形状和规模。下面对各类岩溶的探地雷达图像特征加以描述。
（1）节理裂隙岩溶
水对灰岩的侵蚀一般从节理裂隙开始,岩溶本身往往就是裂隙溶蚀、扩大的结果,因此节理裂隙交叉处或密集带往往就是岩溶发育带。图3-55为湖北黄石某地裂隙溶蚀带的探地雷达图像。从图中可以看出地下6m以上为覆盖层,其下为灰岩。灰岩致密无溶蚀特征时,基本上无雷达反射波存在；灰岩中存在溶蚀裂隙并充水时,由于电性差异大,形成强反射波。在探地雷达确定的裂隙岩溶处进行钻探,其结果表明该处没见明显空洞,但该处岩体裂隙发育,钻孔漏水严重。由此证实该雷达图像反映的是由地下水在裂隙发育带形成的裂隙岩溶。
图3-55 裂隙岩溶的探地雷达图像
图3-56 溶蚀沟的探地雷达图像
（2）溶蚀沟槽
灰岩长期出露地表时,其表面遭受风化后强度降低。灰岩表面地形变化剧烈的地方,会由于地表的大径流,使其表面受强烈侵蚀而形成溶沟、溶槽。图3-56为广州市某处溶蚀沟的探地雷达图像。由图可见,灰岩中反射波明显减弱,同相轴中断的区域为灰岩的溶蚀沟。由于沟壁陡直,在地表接收不到来自沟壁的反射波,而沟壁周界的灰岩会由于溶蚀作用形成强反射波,因此溶蚀沟圈定应以强反射波为周界。该处地下灰岩为石炭系灰岩,曾长期出露地表,在灰岩的斜坡面上会由于地表径流的侵蚀形成溶蚀沟。在地壳下降后,溶蚀沟逐渐为粉土充填。
（3）溶洞与开口溶洞
溶洞是可溶岩中的空洞,对建筑基础影响最大的是可溶岩面附近的溶洞。当岩面覆盖着易被冲蚀的渗透地层,且岩溶与上覆地层存在水力联系时,这种水力联系会加速岩溶发育。当岩溶顶部变薄,不能支持上覆地层负荷时,就会发生塌落,形成开口溶洞。在开口溶洞上方土体中存在被冲蚀,以致土体密度降低的现象,我们称为土体扰动。图3-57为广州市某处的开口溶洞的探地雷达图像。该处覆盖层为细颗粒粉砂,有一定的渗透性,其下为灰岩。灰岩面附近岩溶发育,可见不规则强反射波。在强反射波所围绕的区域内有一组短周期细密反射波。该反射波组特征与上覆地层反射波特征类似,这表明灰岩中空洞已被上覆地层冲蚀的土体所充填。由于开口溶洞上方土体已遭冲蚀,其反射波形态与周围土层的反射波形态不同,表明上覆地层已遭扰动。扰动土层与充填溶洞构成了开口溶洞特征。这类岩溶使上覆地层承载力明显降低,极易引起坍塌,在岩溶地区勘察时这类开口溶洞应引起注意。
图3-57 开口溶洞的探地雷达图像
（二）探地雷达在地基基础施工中的应用
1.探地雷达在桩基础施工障碍成因调查中的应用
近年来,大型建筑物采用桩基础施工的数量越来越多。由于勘探程度不够或地下介质不均匀程度加剧,造成桩基础施工遇阻。实践表明,探地雷达在判断桩基础施工遇阻的原因方面有独到作用。
（1）桩位处地层断裂性质判别
武汉火炬大厦桩基础施工过程中,在武珞路北拟建的33层高层建筑东北角51＃挖孔桩遇到破碎地层。为评价桩位下地层破碎的成因及其对桩位的影响,围绕桩位进行了探地雷达测量。场区基坑已开挖,第四系填土已被挖除,地层系志留系泥岩。志留系原岩曾长期出露地表,经风化自上而下可分为全风化层、中风化层与微风化层。无破碎带存在时,反射波同相轴连续。当基岩因断裂而形成破碎带时,反射波同相轴明显错断。由于破碎带为地下水入侵提供了通道,造成风化程度加深,错动带内雷达反射波强度明显减弱。图3-58为基岩破碎带的探地雷达图像特征。为了了解桩位处断裂情况,围绕桩位布置了雷达测线。根据地质雷达图像,得到基岩破碎带的平面分布,如图3-59所示。由图可见,51＃桩位于两条断裂之间,这两条断裂应为褶皱形成时的伴生断裂,断距小（＜2m）,断裂带宽度不大（左右）,因此只要根据破碎带力学性质对桩的设计做些小改动,就可以继续进行挖孔桩施工。上述结论已为设计部门接受并为随后的挖孔桩施工所证实。
图3-58 基岩破碎带探地雷达图像
图3-59 雷达测线布置与破碎带分布平面图
（2）桩基础下异常性质判断
粤汉码头滩地改造一期工程住宅楼场址在进行沉管灌注桩施工过程中,有的桩位遇阻打不下去,有的桩位水泥超量使用。为查明桩基施工过程中问题的症结,围绕桩位用探地雷达进行了探测。在桩基础施工中主要出现的问题有两类：一是遇障碍物,桩很难打下去；二是桩非常容易打下去,但浇灌的混凝土大大超出桩的体积。探地雷达测量所发现的异常有三种类型：一是杂填土中硬物异常；二是杂填土中的不密实区；三是淤泥液化形成的空穴。本场地为紧靠长江的滩地,为防洪在地表下填充了大量杂填土。当杂填土中存在建筑垃圾等杂物时,便形成了与周围介质差异极大的强、宽反射波,这类异常没能在周围测线形成有规则的排列,故定为硬性杂物,如图3-60（a）所示。当杂填土堆积比较疏松,形成杂填土中的不密实区,这类填土可能是生活垃圾等细软物质,形成同相轴杂乱的反射波,如图3-60（b）所示。按场地地质勘测结果,粉砂层上有一层粉质黏土。当粉质黏土中淤泥质含量高且下伏的粉砂颗粒较粗时,淤泥质土受到桩基础施工扰动形成液状土,当其水分通过下伏透水性好的砂层渗漏时便会形成空穴。这种空穴形成有下列三个条件：一是下伏粉砂颗粒较粗,透水性好；二是粉土颗粒变细向淤泥质土靠近,含水率高；三是在这种土中进行桩基础施工造成扰动。当这三个条件都具备时,会在这类土中形成空穴,如图3-60（c）所示。
图3-60 三种地下异常的探地雷达图像
（a）杂填硬物的地质雷达图像；（b）不密实区的地质雷达图像；（c）淤泥液化成空穴的地质雷达图像
2.探地雷达在地下顶管问题调查中的应用
在老城区改造进行地下水管道及煤气管道铺设时,为不影响地面交通,常采用地下顶管工艺铺设管道。在地下地质情况复杂区,顶管常会遇到问题,极需查明情况采取对策。实践表明,探地雷达在查明地下顶管问题过程中效果明显。
（1）顶管引起地下塌陷原因剖析
上海曲阜路地下煤气管道的地下顶管施工过程中,文安路口东头路面发生陷落,为决定煤气管是继续采用地下顶管施工,还是采用大开挖施工,必须查明陷落范围与成因,为此应用探地雷达进行探查。图3-61为该段探地雷达图像。在地表32～54m范围,深度～4m处可见到反射波特征明显不同于周围介质的区域。该处反射波强度明显加大,反射波同相轴明显不连续,呈现杂散充填物的反射波特征。该处紧挨吴淞江,地表有流入吴淞江的支流,因此在筑路时填充有杂填土。由图还可见到,在更大范围（地表2～54m）内有反射波强度变弱、周期变短的区域,具有均质淤泥反射波特征,故该处应为杂填土的沉积物范围。淤泥液化度高,在地下顶管过程中受到扰动,饱和孔隙水释放,淤泥塌陷,造成路基承载力下降,路面陷落。淤泥变形区的周界处可见到反射波同相轴的明显错断。
图3-61 上海曲阜路探地雷达图像
（2）地下顶管前方障碍物探查
根据市政建设需要,南京市下水管道需在水关桥公铁立交桥下通过。水关桥公铁立交桥采用沉箱工艺建筑,由于地下存在淤泥质软基地层,在沉箱下填有碎石加固基础。下水管过立交桥采用地下顶管工艺,为了顶管安全,要求应用探地雷达探测管线通过处有无地下障碍物存在。测量采用顶管前方超前预报的环形剖面与管线地表剖面探测相结合的方法。图3-62为1＃管超前探测环形剖面雷达图像,可见有两道雷达波形在顶管前方10m以远,尤其在～范围内有孤立的人为障碍物存在。图3-63为1＃管线地表剖面的雷达图像,表明该处箱体下软基发育,淤泥底界深约4m。在箱体下软基发育段,淤泥底界面上有一不连续窄反射波。这与顶管前方探测的异常是一致的,该异常应为箱体基础施工过程中加固物没入淤泥底所形成的。工作结果表明,在管线通过处前方无人为的大直径障碍物存在,而孤立的小块障碍物由于处在淤泥中,极易被顶管推动而移开,不会造成施工障碍,上述结论已为施工所证明。
图3-62 1＃管超前预报环形剖面雷达图像
1＃顶管面前方10～有孤立的接近的块石
图3-63 1＃管线地表剖面雷达图像
本项目重点
本项目重点介绍了电磁感应法理论基础,并将频率测深,尤其可控源音频大地电磁测深法,以及瞬变电磁法作为重点方法给予介绍。
思考题
1.方法名词理解：
电磁法；电磁测深法；电磁剖面法；瞬变电磁法；可控源音频大地电磁法；探地雷达法。
2.阐述电磁法的基本原理。
3.阐述电磁测深法的基本原理和应用范围。
4.阐述电磁剖面法的基本原理和应用范围。
5.阐述瞬变电磁法的基本原理和应用范围。
6.阐述可控源音频大地电磁法的基本原理。
7.阐述探地雷达的基本原理和应用范围。
8.试对比时间域和频率域电磁法的优缺点。
9.试述对称四极装置直流电测深、大地电磁测深、频率测深和瞬变测深曲线的共同点和不同点。
10.试论用电磁法评价异常源性质的可能性和局限性。
11.在电阻率为100Ω·m的均匀介质中传播1000 Hz的平面电磁波,试计算电磁系数m及趋肤深度δ（已知εr＝36）。
12.比较f＝1000 Hz的电磁波在空气中和电阻率为10Ω·m的导电介质中的波长。
13.在我国的某一工区开展大地电磁测深工作,所使用仪器的频率范围为320～,已知地下的平均电阻率为100Ω·m,求大地电测深在该区工作的最大穿透深度是多少?
论文文献综述怎么写
摘要：超宽带UWB(Ultra-Wide Bandwidth)脉冲通信(Impulse Radio)技术与其它通信技术有很大不同，它具有信号功率谱密度低、不易检测、系统复杂度低等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信。介绍了UWB系统的信号表示形式，分析了其特点，并介绍了超宽带通信当前的研究及应用情况。 关键词：UWB 脉冲通信 信号 应用 UWB技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。 1 超宽带信号及其特点 美联邦通信委员会(FCC)规定： 部分带宽号称为UWB信号。其中，部分带宽为信号功率谱密度在-10dB处测量的值。图1为UWB信号与窄宽信号功率谱密度的比较；UWB信号格式如图2所示。 一种典型的脉位调制(PPM)方式的UWB信号形式[1],[2]为： Str(k)(t)表示第k个用户的发射信号，它是大量的具有不同时移的单周期脉冲之和。w(t)表示传输的单周期脉冲波形，可以为单周期高斯脉冲或其一阶、二阶微分脉冲，从该发射机时钟的零时刻(t(k)=0)开始。第j个脉冲的起始时间为。仔细分析每个时移分量： （1）相同时移的脉冲序列：形式的脉冲表示时间步长为Tf的单周期脉冲，其占空比极低，帧长或脉冲重复时间Tf(Frame Time)的典型值为单周期脉冲宽度的一百到一千倍。类似于ALOHA系统，这样的脉冲序列极容易导致随机碰撞。 (2)伪随机跳时：为减少多址接人时的冲突，给每个用户分配一个特定的伪随机序列，称之为跳时码，其周期为Np。跳时码的每个码元都是整数，且满足。这样跳时码给每个脉冲附加了时移，第j个单周期脉冲的附加时移为秒。 由于读出单周期脉冲相关器的输出要占用一定的时间，NhTc/Tf应严格小于1。然而如果NhTc太小，那么多个用户接入时发生冲突的概率仍然会很大。相反，如果NhTc足够大且跳时码设计合理，就可以将多用户干扰近似为加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhite Gauss Noise)信号。 由于跳时码是周期为Np的周期序列，那也为Np周期序列，其周期为Tp=NpTf。跳时码的另外一个作用是使UWB信号的功率谱密度更为平坦。 (3)数据调制：第k个用户发送的数据序列｛di(k)｝为二进制数据流。每个码元传输Ns个单周期脉冲，这样增加了信号的处理增益。 在这种调制方式下，一个符号(或码元)的持续时间为Ts=NsTf。对于固定的脉冲重复时间Tf，二进制的符号速率Rs，为： 显然，采用上述信号的超宽带脉冲通信系统具有以下特点：信号持续时间极短，为纳秒、亚纳秒级脉冲，信号占空比极低(1％～0．1％)，故有很好的多径免疫力；频谱相当宽，达GHz量级，且功率谱密度低，故UWB信号对其他系统干扰小、抗截获能力强；UWB系统处理增益很高，其总处理增益PC为： 例如，当某二进制UWB通信系统Tf=1μs，Tc=1ns，Ns=100，比特速率Rs=10kbps时，该系统UWB信号的处理增益为50dB。与其他通信系统相比，其处理增益非常高。 另外，UWB信号为极窄脉冲的序列，故有非常强的穿透能力，可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，能实现雷达、定位、通信三种功能的结合，适合军用战术通信。 2 超宽带信号发射机、接收机基本结构 2．1 发射机和相关接收机模型 与传统的无线收发信机结构相比，UWB收发信机的结构相对简单。如图3所示，在发射端，数据直接对射频脉冲调制，再通过可编程延时器件对脉冲进一步时延控制，最后通过超宽带天线发射出去。在接收端，信号通过相关器与本地模板波形相乘，积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中，由捕获跟踪部分、时钟振荡器和(跳时)码产生器控制可编程延时器，根据相应的时延产生本地模板波形，与接收信号相乘。整个收发信机几乎全部由数字电路构成，便于降低成本和小型化。 2．2 Rake接收机模型 由于UWB信号需要用时域的方法进行分析，多用于户内密集多径(多径可达到30条)的条件下，而且每条路径的信号能量都很小，难以对每条信道做出估计，所以使UWB信号的Rake接收成为可能。Rake接收机使原来能量很小的多径信号经过能量合并后提高的信噪比提高系统性能。 3 UWB与其他几种无线个人局域网技术的比较 由于UWB技术的种种优点，使其成为无线个人局域网络WPAN (Wireless Personal Area Network)的主要技术之一。WPAN的目标是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，以低价格和低功耗在10m范围内实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化信息网络。其最普遍的应用是连接电脑、打印机、无绳电话、PDA以及信息家电等设备。目前实现WPAN的主要技术有：IEEE802．11b(Win)、Home RF、IrDA、蓝牙(Bluetooth)以及超宽带等五种。可以看出UWB技术的优势较为明显，主要不足是发射功率过小限制了其传输距离.也就是说，10m以内，UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能，对于远距离应用IEEE802．11b或Home RF无线PAN的性能将强于UWB。UWB和同为热门的IEEE802．11b以及Home RF不会进行直接竞争，因为UWB更多地是应用于10m左右距离的室内。事实上，把UWB看作蓝牙技术的替代者可能更为适合，因后者传输速率远不及前者，另外蓝牙技术的协议也较为复杂。 4 国内外研究及发展情况 4．1 国外研究现状 军用方面：早在1965年，美国就确立了UWB的技术基础。在后来的二十年内，UWB技术主要用于美国的军事应用，其研究机构仅限于与军事相关联的企业以及研究机关、团体。目前，美国国防部正开发几十种UWB系统，包括战场防窃听网络等。 民用方面：由于超宽带技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力，近几年来国外对UWB信号应用的研究比较热门，主要用于通信(如家庭和个人网络，公路信息服务系统和无线音频、数据和视频分发等)、雷达(如车辆及航空器碰撞／故障避免，入侵检测和探地雷达等)以及精确定位(如资产跟踪、人员定位等)。索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒—克莱斯勒等高技术公司都已涉足UWB技术的开发，将各种消费类电子设备以很高的数据传输率相连，以满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功率、高速数据传输等要求。 国际学术界对超宽带无线通信的研究也越来越深入。2002年5月20～23日，IEEE举办了一期会议，专门讨论UWB技术及其应用。2002年2月14日，美国联邦通信委员会(FCC)正式通过了将UWB技术应用于民用的议案，定义了三种UWB系统：成像系统、通信与测量系统、车载雷达系统，并对三种系统的EIRP(全向有效辐射功率)分别做了规定。但是，UWB技术的协议与标准尚未确定，目前，只有美国允许民用UWB器件的使用；而欧洲正在讨论UWB的进一步使用情况，并观望美国的UWB标准。 4．2 国内研究现状 2001年9月初发布的“十五”863计划通信技术主题研究项目中，把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研发工作。但是国内目前关于UWB技术的深入研究仅限于雷达方面，关于UWB通信系统的研究还没有形成规模。 参考文献:<无线超宽带（UWB）通信原理与应用——21世纪信息与通信技术教程> 王金龙、王呈贵、阚春荣、徐以涛 2005-11第1版
车载阵列雷达在道路塌陷灾害预警探测中的技术应用
(大连中睿科技发展有限公司，辽宁省大连市 116025)
The Applications of Vehicle-mounted Array Radar for
Early-warning Detection of Road Cave-in
Cui Haitao, Chen Jie, Li Min, Bai Xu
摘要：近年来，许多城市发生了道路塌陷灾害，造成重大的生命财产损失和严重的社会影响。本论文针对城市道路塌陷灾害的预警探测需求，研制出具有自主知识产权的车载阵列雷达系统，可以对道路病害进行可视化探测与精确定位。该雷达系统已成功地应用于多个城市的道路塌陷灾害预警探测，并形成了一套探测道路塌陷灾害的技术方法。
关键词：道路病害；病害预警探测；车载阵列雷达
一、引言
近年来，全国范围的城市道路塌陷灾害频繁爆发，大范围、高频次、导致多人死伤的恶性塌陷事故接连发生，造成重大的生命财产损失和严重社会影响，直接威胁到城市公众安全，灾害治理已经刻不容缓。目前，城市道路塌陷灾害的发生已经遍及全国各个省市，从北京、上海、广州、深圳这样的一线城市，到哈尔滨、长春、大连、太原、西安、武汉、长沙、福州、厦门这样的二线城市，以及兰州、银川、乌鲁木齐这样的西部边远城市均有发生，甚至张家口、邯郸、宣城、荆州、湘潭、娄底、固原、库尔勒这样的中小城市也同样面临着不断发生塌陷灾害的严重威胁。
调查研究表明，绝大多数的城市道路塌陷与地下管线直接相关，是典型的地下管线次生灾害。统计显示，大多数的地下空洞塌陷发生在地表以下0~3m范围内[1]。各种诱因导致地下管线损坏或直接使管线周围土体松散，在各种流水因素作用下发生土体流失，在管线周围产生空洞，空洞逐步发展扩大并最终导致路面塌陷发生灾害。这些引起空洞塌陷灾害的诱因包括[2][3]：地下管线老化渗漏、管线施工回填不实、地表水下渗冲刷、地下水位下降、地铁施工扰动、地下人防等设施老化坍塌、湿陷性黄土垮塌、溶洞垮塌等。
科学研究和对塌陷灾害的调查分析表明，采用先进的高科技物探设备定期对城市道路进行普查探测，提前发现隐伏在地下的空洞，提前预警并采取排险措施，才能防患于未然，避免塌陷事故发生。
二、车载阵列雷达系统
在城市中开展道路下方隐伏空洞探测作业，由于道路交通繁忙，周边环境干扰大，常用的工程物探方法如高密度电法、浅层地震法、瞬变电磁法等，应用效果差，成本高，速度慢，难以在城市中大范围应用。探地雷达具有效率高、抗干扰、精度高、现场作业方便等特点，是城市道路塌陷灾害普查探测的首选技术。国内外的工程实践表明，探地雷达已成为探测道路下方隐伏病害唯一现实可行的技术手段，适用于脱空、空洞、土体疏松、富水等多种道路病害检测[4][5]。
由于我国城市众多，城市面积普遍较大、城市地下地质情况和地下构筑物比较复杂，常规的单（双）通道探地雷达和人工探测作业方式在灾害普查探测效率和探测成果可靠性方面存在一定局限性，探测效率低、工作量大，不能满足城市大里程、大面积道路探测需要，亟需快速高效的车载多通道阵列雷达系统。
针对上述需求，我们研制了一套车载阵列雷达系统（如图1所示），该设备以多通道超宽带探地雷达技术和大型天线阵列技术为核心，专门针对大范围、大里程的公路和城市道路塌陷灾害普查探测进行了创新设计。
图1车载式道路病害灾害预警雷达系统
天线阵列中包括5个400MHz天线、2个200MHz天线和1个100MHz天线（如图2所示），兼顾了雷达的探测深度和分辨率。雷达系统的探测宽度为，探测深度范围为0~10m，行进速度为10~20km/h。探测精度可达厘米级，可以对城市道路进行地毯式、全覆盖普查探测。雷达系统对地下病害体进行多通道同步联合扫描和测量，最大限度地获取病害体的空间信息和病害特征，极大地提高了雷达探测和识别的质量与效率。同时，多通道数据之间的相关性使得雷达图像的判读更加准确可靠。
图2天线阵列排列示意图
该车载雷达系统集成了8通道探地雷达天线阵列、3G天线、激光线扫描工业相机、RTK精确定位系统、控制中心、红外高清摄像系统、DMI测距仪等（如图3所示），将阵列雷达数据、经纬度坐标信息、现场视频场景和道路表面高清图像等多种数据同步采集，融合进入系统数据库，形成一个多信息综合采集平台，快速高效地对道路病害灾害进行可视化探测与精确定位，可广泛应用于各类道路病害灾害普查探测。得益于这一开创性的探测技术平台和全新的普查探测作业模式，物探工程师能够在一个集成统一的界面上，利用多通道雷达获取每一个地下空洞异常，确定其精确坐标位置，观察该处的现场环境和道路表面情况，通过多种信息综合分析和判断，迅速得出可靠结论。
图3车载雷达系统组成
自主研发的车载道路病害灾害预警雷达系统已经取得国家知识产权局授予的产品技术与利和软件著作权[6][7]，并形成完整的企业知识产权体系。2015年，该系统通过住房和城乡建设部的科技成果评估。
三、技术方法
车载阵列雷达的道路塌陷病害探测技术方法分为普查探测、疑似点筛选、疑似点复核、管线会签和验证五个步骤。
（1）普查探测
车载雷达系统对指定作业区域进行普查探测，在DMI的触发下，同步采集并保存多种传感器数据。
（2）疑似点筛选
疑似点筛选时，平台软件读取数据库，将多通道雷达数据、影像数据和地图同步联动显示。多通道雷达数据处理的步骤通常包括零点调节、频域滤波、增益调整、背景去除等，根据病害的回波特征筛选出病害疑似点，并结合各通道雷达数据的相关性分析出病害疑似点的规模。根据疑似点的经纬度坐标和周边的影像，确定疑似点在道路的具体位置。确定疑似点时还要参考影像排除干扰，如路面颠簸、钢板、地下人行通道、隧道、过街天桥等。
（3）疑似点复核
用常规的单通道探地雷达对筛选出的异常点进行复核。复核时，使用多种中心频率的天线对异常区域进行多条测线加密探测。并通过雷达图像和周边井盖，确定疑似点周围的管线分布，排除地下管沟、井室等造成的误判。对疑似点进行复核后，确定异常区域的位置、规模和埋深。
（4）管线会签
城市地下分布众多管线，分属不同的专业部门管理，涉及供水、排水、电力、燃气、供热、通信信息、广播电视、公安交通等管线权属单位。为了避免验证时破坏管线，在施工前做好会签手续。由市政部门组织各家管线权属单位对各个病害异常点进行管线会签，核实疑似点周边管线的分布。
（5）验证
通过钻孔或开挖方法进行验证。
四、案例
车载阵列雷达系统已在沈阳、大连、厦门、广州、深圳、南京、镇江、长春、石家庄等城市成功进行了工程应用。
厦门市思明区道路塌陷灾害普查探测
2015年5月-9月，厦门市思明区采用车载阵列雷达系统对辖区内的主要道路进行了塌陷灾害普查探测，完成测线里程约200公里，通过探测发现多处空洞灾害点，有效预警了道路塌陷灾害，经工程处治后避免了塌陷事故的发生。
图4是在厦门西堤路探测到的一处大型空洞，钻孔验证后进行了开挖回填处治，及时排出了险情。
图4 厦门西堤路空洞
广州市天河区道路塌陷灾害普查探测
2015年4月，车载阵列雷达系统在广州市天河区进行了道路塌陷灾害普查探测，发现了多处空洞灾害点。图5是天河区科韵路探测到一处大型空洞，灾害面积达30平方米，洞底深度米，洞顶距离表面仅米，随时会发生坍塌。通过钻孔、钎探和电子内窥镜等方式对病害点检查评估后，相关部门对该位置进行了注浆排险作业，避免了事故的发生。
图5 广州科韵路空洞
长春市地铁沿线道路塌陷灾害普查探测
由于地铁施工造成地层扰动，长春地铁沿线发生过多起道路塌陷事故。2016年3月，车载阵列雷达系统对长春市在建的地铁1号线和2号线沿线（人民大街、吉林大路和解放大路）进行了道路塌陷灾害普查探测，在普查探测中发现了多处病害疑似点。长春市市政设施维护管理中心道路路灯部召集各管线权属单位对各个病害异常点进行管线会签，核实疑似点周边管线的分布（图6）。通过钻孔或开挖验证（图7），查明了多处空洞和疏松道路病害点，病害点的分布如图8所示。
图6 管线会签图
图7 钻孔现场
图8 长春道路病害点分布图
案例1：
该灾害点位于吉林大路与临河二条交汇处东侧东向外侧慢车道，雷达车普查探测发现该处雷达扫描图像存在显著空洞异常反应，经现场复核探测、钻探验证和钻孔内窥镜录像（图9），确认该处为典型地下隐伏空洞灾害，灾害部位南北向长米，东西向宽2米，空洞埋深米。经探查，该灾害点下方米处为一根混凝土排水管，管体接入灾害点旁边的排水井，开井盖检查发现，管体接入部位周围存在流土堆积现象，判断为附近路面集水井水体侵入灾害部位冲刷土体，经旁边排水井流失，形成空洞。相关部门立即对灾害部位空洞进行开挖回填处治，并整修了排水井。
图9 钻孔内窥镜录像截屏
案例2：
图10是该雷达系统在解放大路东侧起点处西向外侧慢车道发现的一处富水空洞。普查探测中发现该处雷达扫描图像存在显著空洞异常反应和水体反应，经现场复核探测、钻探验证和钻孔内窥镜录像，确认该处为严重水浸地下隐伏空洞灾害，灾害部位东西向长4米，南北向宽2米，空洞埋深米。经探查，该灾害点下方2米处为一根自来水管，管体严重漏水冲刷灾害部位土体后集中流入旁边路面集水井，水冲刷流失量大，水流清澈，钻探表明灾害部位土体已完全冲刷，仅余碎石，形成充水空洞。该处经泄露自来水较长时间冲刷，塌陷风险极大。相关部门立即对该灾害部位的自来水管进行抢修，并及时回填处置了该处空洞。
图10 长春解放大路空洞
五、结论
车载阵列雷达是预警探测城市道路塌陷灾害的首选技术装备，在工程实践当中，制定合理作业流程和作业方法，充分发挥其技术优势和效率，可以准确可靠地探测发现地下隐伏空洞，及时预警，切实防范和减少道路塌陷灾害事故的发生。
参考文献
[1]杨彩侠.城市道路路面塌陷成因初探. 山西建筑,2013, 39(15):113-114.
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[4]Ryoji Hirata, AkioMatstyama. Anintroduction and a case study of the vehicle for exploring structures underroad using GPR, Near Surface Geophysics Asia Pacific Conference, July 17-19,2013, Beijing, China.
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[6]崔海涛,王少华. 车载道路灾害、病害预警雷达系统（VGPR-20）,专利公开号CN302973058S .公开日:2014-10-22.
[7]崔海涛,王少华. 一种车载道路灾害病害预警雷达系统,专利公开号: CN203870250U. 公开日:2014-10-08.