時間：2023-03-22 17:43:06
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《激光雷達技術原理》以測量學和數據處理理論和方法為基礎，講授激光雷達技術的基本原理和數據后處理方法，同時結合實際案例講解激光雷達技術在測繪、地質和工程等領域的應用前景和亟待解決的問題。由于激光雷達是一項測繪新技術，國內還沒有成熟的教材，因此結合國際上較為權威的專著《AirborneandTerrestrialLaserScanning》［5］以及國內外相關的研究和應用成果自編了教程，對學生采取了“了解—新型傳感器原理”“熟悉—激光掃描儀操作”和“掌握—激光點云數據后處理方法”的教學模式，以達到從理論到實踐的教學效果。
1．1了解新型傳感器原理
首先，以學生熟悉的全站儀為對照，讓學生了解激光雷達是一種集成了多種高新技術的新型測繪儀器，具有非接觸式、精度高(毫米級/亞毫米級)、速度快(可達120萬點/秒)、密度大(點間距可達毫米級)的優勢，且數據采集方式靈活，對環境光線、溫度都要求較低。其次，讓學生理解LiDAR的測量原理主要分極坐標法和三角測量法兩種。其中，對于極坐標法測量，使學生了解測距的關鍵在于時間差的測定，引出兩種常用的測時方法:脈沖法和相位法;讓學生理解直接測時和間接測時的區別以及各自的優缺點，從而進一步了解脈沖式和相位式激光掃描設備的優勢、局限性以及應用領域。最后，通過介紹激光雷達采集數據的掃描方式，讓學生了解不同平臺上的激光雷達傳感器的工作特點，如固定式激光掃描儀適合窗口式和全景式掃描，車載、機載以及星載平臺適合移動式掃描等。
1．2熟悉激光掃描儀操作
考慮到各類平臺激光雷達的作業特點以及現有設備的情況，《激光雷達技術原理》課程以地基三維激光掃描儀為重點，讓學生熟悉儀器的外業操作。盡管激光掃描儀數據采集的自動化程度較高，外業采集仍然需要解決掃描設站方案設計和不同掃描站間連接點選擇等問題，要求學生在熟悉激光掃描儀軟硬件操作的同時，還要掌握激光掃描儀外業采集方案的設計:踏勘工作區，分析研究最優化的掃描設站方案和坐標轉換控制點選擇，畫出相關的設計草圖，并設置主要掃描設站的標志。要求設站位置既要保證與相鄰站的重疊，又要覆蓋盡量大范圍的被掃描對象，以減少設站數，從而提高外業數據采集效率。
1．3掌握激光點云數據后處理方法
利用點云數據可視化與點云原始存儲格式之間的明顯反差，讓學生了解激光點云數據后處理的重要性和難點，及其已成為制約激光雷達技術應用瓶頸的現狀。根據學生的理解程度，選取了點云的拼接/配準、點云的濾波和分類、點云的分割和擬合等后處理方法，要求學生掌握相關的算法并編程實現。
1．3．1點云的拼接/配準點云拼接是將2個或2個以上坐標系中的大容量三維空間數據點集轉換到統一坐標系統中的數學計算過程。要求學生掌握如何解決點云拼接的兩個關鍵問題:同名特征的配準以及旋轉矩陣的構造。對于同名特征的配準，使學生了解常用配準方法的特點和適用范圍，如ICP方法適合用于精拼接，而基于特征面的方法對場景特征分布要求較高等。著重讓學生掌握最常用的人工標靶識別，以及特征面匹配，后者有別于學生所熟知的點特征匹配;對于旋轉矩陣的構造，拓展學生在《攝影測量學》［6］中學習的基于歐拉角的旋轉矩陣構造，掌握角－軸轉角系和單位四元數方法。
1．3．2點云的濾波和分類要求學生了解濾波和分類的目的是解決激光腳點在三維空間的分布形態呈現隨機離散的問題。掌握基于高程突變和空間形態學的點云濾波和分類方法。讓學生理解單一的信息量會導致算法不穩健，從而引出多源數據融合的思路。目前，已經有很多激光掃描儀生產廠商推出的新產品中實現了多傳感器平臺的集成，如激光掃描儀會搭載小像幅的數碼相機，甚至有些系統還提供由集成傳感器生成的紅外影像。每種數據源都有其自身的優點和局限性，將多源數據融合能夠彌補各個單數據源的局限性，增大信息量，從而提高濾波和分類方法的穩健性。
1．3．3點云的分割和擬合要求學生掌握實現點云分割的相似性原則:平面性、曲面平滑度和鄰域法向，以及常用的點云分割方法表面生長法。考慮到點云擬合是由離散激光點坐標計算特征模型參數的過程，要求學生掌握點云擬合中兩個主要問題的解決方法:粗差剔除及最優解獲取。
2實踐教學法
實踐教學是卓越工程師培養體系中一個重要的組成部分。作為技術性的測繪工程學科，除應用測量儀器采集數據、應用計算機處理數據的基本能力外，還需要構建實踐教學體系以培養學生在實踐中選用適當的理論、技術、儀器設備和作業方法解決測繪工程與地理空間信息產品生產實際問題的能力，從而使學生接受測繪工程與地理空間信息產品生產方案設計、實施以及實際應用中測繪工程解決方案確定等系統化訓練。《激光雷達技術原理》課程實習要求學生全面應用所學知識，利用實習場地，依據實習目的和要求在老師的指導下分組獨立完成全部實習內容。實習儀器為中國地質大學(北京)遙感地理信息工程教研室使用教育部采購專項購買的RIEGLLMSZ620三維激光掃描儀。《激光雷達技術原理》課程實習的目的主要是使學生通過三維激光掃描儀的使用，進一步鞏固和加深理解相關理論知識和技術方法。要求熟悉三維激光掃描儀數據采集與處理(包括DEM、等高線和剖面圖生成以及三維建模等)的全過程。通過實踐性教學，不僅能夠讓學生掌握基本的軟、硬件使用操作方法和LiDAR測量項目的作業流程，而且能夠加深學生對所學專業理論知識的理解。培養學生的應用能力、創新能力以及嚴肅認真、實事求是、吃苦耐勞、團結協作的精神。要求學生必須參加每一個實習環節，協作完成實習任務，獨立完成實習報告。實習內容主要包括以下部分。
2．1三維激光掃描
數據的外業采集要求學生分組完成測區劃分和踏勘，確定測站位置，根據測區地形，設計外業數據采集方案，完成外業設站、反射標靶布設和數據采集工作。學生需要完成校園內建筑物點云數據和奧林匹克森林公園地形點云數據的采集。
2．2點云數據預處理
要求學生分別利用隨機軟件RiSCANPRO和上機C語言編程對外業采集的三維點云數據進行預處理，包括點云數據的濾波和拼接。
2．2．1點云濾波1)手動濾波要求學生利用RiSCANPRO對點云數據進行濾波。RiSCANPROv1．7．0有兩種模式，即Filterdata和Terrainfilter。前者針對一般數據，后者對于提取地形的數據有明顯效果。2)自動濾波要求學生上機應用C語言編程實現數學形態學方法、移動窗口濾波法、迭代線性最小二乘內插法、基于可靠最小值的濾波方法等常用的地形濾波算法，對外業采集的數據進行濾波，并對各算法的結果進行比較和分析。圖1為學生基于虹灣地區嫦娥一號激光測高數據，利用五種濾波方法濾波后的數據點殘差值分布圖［7］。
2．2．2點云拼接1)基于反射標靶的點云拼接要求學生利用RiSCANPRO軟件，結合外業數據采集時布設的標靶連接點，對地形和建筑物點云數據進行拼接。激光點云數據的拼接有兩種方式:公共反射體的方式和采用使所有的反射體處于同一坐標系統的方式。在實際操作過程中，要求學生對兩者結合使用，以期達到更好的拼接效果。2)基于特征面的點云拼接要求學生在對點云進行擬合的基礎上，選取至少三對相互正交的特征面，利用C語言上機編程，實現基于特征面的點云拼接，并與單純基于點的拼接結果進行對比，分析不同方法的優缺點。
2．2．3地形數據處理對地形數據的處理主要包括三角化、平滑、生成等高線和剖面。三角化參數的設置可參考量測工具量測出的點云中兩點之間的距離初步設定，這個值可適當調整，目的在于使圖中的點云數據彼此之間能盡量大面積地構成三角網;要求學生對已經完成三角化的數據進行平滑處理;針對已經完成平滑的數據，利用RiSCANPRO軟件生成等高線。剖面圖的顯示既可以針對三角化之前的數據，也可以針對三角化之后(包括完成平滑的數據)來操作。
2．2．4建筑物幾何模型重建針對《激光雷達技術原理》數據處理方法的教學內容，指導教師結合自身的研究成果組織研究生開發了點云分割和擬合以及三維建模等軟件模塊，考慮到學生的掌握程度和實用性，要求學生在利用軟件模塊實現點云數據分割和擬合的基礎上，利用AutoCAD軟件手工建立建筑物的幾何三維模型，基于3DSMAX軟件建立建筑物紋理模型。圖2為暑期教學實習中指導學生利用商業軟件和自主開發的軟件模塊重建的地大校園主要建筑物的三維模型。
3結束語
（1）理解文中重要概念的含義。
（2）理解文中重要概念的含義。
2、分析綜合
（1）篩選并整合文中的信息。
（2）分析文章結構，把握文章思路。
（3）歸納內容要點，概括中心意思。
（4）分析概括作者在文中的觀點態度。
3、圈劃選項信息源。
在作答過程中先用鉛筆在原文找出選項信息源，并做標記。
4、將選項與選項信息源做比較。
比較點多為：
1）句意邏輯是否一致。
2）表意范圍是否發生擴大或縮小。
3）是否發生張冠李戴。
4）是否絕對。
5）是否無中生有。
關鍵詞：LiDAR；鐵路勘察設計，DEM；DLG
中圖分類號：TN958.98文獻標識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 03-0000-02
Airborne LIDAR Technology in Railway Survey and Design Application and Benefit Analysis
Han Zujie
(Railway Third Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Tianjin300142,China)
Abstract:Airborne laser radar technology (LiDAR) is a new remote sensing technology,because of its high precision and efficiency,in terms of rapid development of topographic mapping,currently nearly 20 sets of LiDAR systems.This paper studies LiDAR technology in railway engineering survey and design the content,products,and effects,on the basis of aerial photogrammetry and traditional methods are compared to prove LiDAR technology in the railway survey and design of the feasibility and superiority.
Keywords:LiDAR;Railway survey and design;DEM;DLG
一、引言
機載激光雷達技術（LiDAR）是一種全新的遙感技術，自上世紀90年代在德國首次出現商用樣機系統以來，因其高精度和高效率，在地形測繪方面得到快速發展。目前，全球已經有幾十套商用系統在使用，主要實用系統有：Topscan、Optech、TopEye、Saab、Fli-map、TopoSys、HawkEye、Leica ALS50/60系列、Falcon等。
上世紀90年代中后期至今，美國、德國、加拿大、澳大利亞、瑞典和芬蘭等國家，先后成功應用這項技術進行了地形測量、森林資源調查與評估、三維城市建模等試驗與工程實踐。特別是芬蘭和德國，已經采用這項技術建立了全國或者大部分國土的DEM，達到了理想的效果。目前在國內已經有接近20套LiDAR設備，其中，北京星天地信息科技有限公司、山西亞太數字遙感新技術有限公司、廣西桂能信息工程有限公司、廣州建通測繪技術開發有限公司以及東方道邇公司等單位已經先后開展了實驗和工程飛行，主要用于生產數字高程模型（DEM）、正射影像（DOM），進而制作線劃圖（DLG）等。本研究將使用LiDAR技術對鐵路勘察工程設計進行研究與試驗，介紹其主要產品及應用并對經濟效益進行評價。
二、機載激光雷達技術系統構成與工作原理
（一）機載激光雷達技術簡介
LiDAR系統是一種新型的綜合應用激光測距儀、IMU、GPS的快速測量系統，可以直接測得地面物體各個點的三維坐標。機載的激光雷達系統通常還集成高分辨率數碼相機，用于獲取目標影像。從功能上看，機載激光掃描系統是基于激光測距技術、GPS技術和慣性導航技術這三種技術集成的一個軟硬件系統，其主要目的是為了獲取高精度的數字表面模型（DSM）。
目前，LiDAR提供的直接數據產品為：點云數據，DSM，DEM，DOM。經過后處理可以快速生成等高線、高程點、橫縱斷面圖，完成路線設計需要的專項測繪內容（如架空管線的凈空、交叉角度測繪等），并提供工程設計模型和景觀設計模型等。
（二）LiDAR的主要系統構成
主要系統構成包括：
1.掃描儀組件：激光發射器、激光信號接收器、機械組件、掃描鏡及窗口、接口板。
2.設備支持系統：系統控制器、飛機位置及姿態測量系統、檢流控制器、激光電源、電源分配器、控制計算機、連接電纜。
3.附屬軟件：包括項目飛行設計及對記錄數據進行后處理（濾波、分類等）處理。
4.控制/顯示器：激光發射指標器、音頻告警器、電路熔斷器、系統診斷數據輸出、控制接口。
（三）主要工作原理
通過DGPS（或PPP）和IMU求得航機線上任意采樣時刻激光發射中心的空間坐標和設備的空間姿態，內插后能夠獲取任意時刻激光光束的姿態和發射中心的空間坐標，通過激光測量激光發射中心到地面的距離，可以求得每一個激光腳點的空間三維坐標。另外，利用DGPS/IMU可以直接獲取每一張照片的外方位元素，可以快速制作DOM成果。最后將激光點數據和數碼影像進行聯合處理得到高精度的正射影像和數字高程模型。
三、機載激光雷達的應用
機載激光雷達能夠快速獲取數字地表模型（DSM），同時，配套的中畫幅數碼相機可以獲得同步的數碼相片，經過加工處理可獲得數字高程模型、分類信息、航空相片的立體像對和正射影像圖。目前還沒有成熟的專業接口供鐵路勘察設計工程中使用機載激光雷達成果，因此，如何將機載激光雷達勘測成果與眾多設計專業手段無縫結合，從海量基礎信息中快速提取或檢索有用的信息為各專業設計所用，是機載激光雷達技術應用于鐵路勘察設計的關鍵。
結合鐵路勘察設計特點和工程應用實踐，一方面將機載激光雷達技術成果進行加工，提供滿足專業應用的專題成果，另一方面，改進專業設計勘察設計流程，提出新的設計理念，以便更加有效地利用海量的基礎信息，提高設計質量和設計效率。
利用機載激光雷達技術提供的高精度、高分辨率數字地面模型和正射影像圖，結合鐵路專業設計要求，主要生產以下幾種產品（見圖4）：
1.工點地形圖。它是針對鐵路設計的控制工點，在施工圖階段做的更加詳細的勘測工作，以保證設計資料的精度和準確性。如：橋址地形、隧道進出口等；
2.斷面圖。主要包括縱斷面和橫斷面，一般它們的精度高于地形圖的精度。主要用于保證設計線路的平順性和計算工程數量的準確性；
3.數字正射影像地形圖。這是線劃圖的替代產品，通過將正射影像圖疊加等高線、專業調查的地質界線、自然保護區等矢量信息，而形成的一種地形圖，它的信息量更加豐富，更加直觀；
4.專項測繪。針對特殊的專業需求而進行的詳細勘測工作。如：水文斷面、涵軸測量、電線垂度等；
5.工程中的土石方自動計算、坡度、坡向的計算等；
6.快速構建三維虛擬場景，城市建模等。
此外，還可利用高分辨率的影像進行專業調查、地質判視等，便于指導外業工作，提高外業勘測的針對性和合理性。
四、技術、經濟效益和推廣應用前景
（一）機載激光雷達測量技術與常規航測方法的經濟比較
1.兩種技術手段外業控制測量的比較。LIDAR所需的外業控制點與常規航測外控的比較，以II級地形1：2000航測地形圖測繪（常規航測單航帶100km）為例。
（1）首級平面和高程控制網工作內容和數量是基本相同的。
（2）LIDAR系統要求每5-7km測量一個平面和高程控制點，每30km測量一處高程校正區，這樣100km線路需要布設平高控制點17個，高程校正區3個。而常規航測方法，采用150mm焦距的航攝儀拍攝，需要75個平高控制點；采用210mm焦距的航攝儀拍攝，需要150個平高控制點。
（3）LIDAR系統不因地形等級的變化而改變外業平高控制點的數量（適當的寬度，如不大于10km）。而常規航測方法會隨著寬度的增加而成倍增加外控點的數量。
2.橫斷面切繪的經濟比較。以張唐鐵路定測為例，相對于采用Lidar技術平均1000-1200個橫斷面/人天的工作效率，常規航測方法每人每天只能切繪300-400個橫斷面，可見工作效率提高了3-4倍，對企業發展帶來了巨大的經濟效益。
3.地形圖制作的經濟比較。以II級地形1：2000地形圖測繪為例。
因為LIDAR具有高效生成DEM的優勢，所以在生成等高線、高程點等具有高程信息的地形信息時具有更高的效率，在這個方面，采用Lidar技術平均效率為12-15平方公里/（人.天），常規航測方法每人每天只能測繪2-3平方公里；
航測方法在立體模型下獲取（除等高線、高程點之外）矢量信息具有更大的優勢，而LIDAR則因其自身離散性獲取能力比較弱，適合于小面積的（除等高線、高程點之外）矢量信息獲取。
（二）成功案例及分析
經過試驗與實踐，LiDAR技術已成功用于多個鐵路項目的勘測設計項目，減少了內業制圖的壓力，縮短了項目工期，在鐵路各專業使用中反映良好，取得了顯著的經濟效益。以某工程為例，泛亞鐵路某段全長257Km，由于距離遙遠，地處國外，而且鐵路過境區域存在大量地雷區域，給外業工作帶來極大不便。考慮到地理因素和方案局部變動的因素，項目在實際操作中拋棄傳統外業測量加航測制圖的作業方式，直接采用機載激光雷達系統，一次性獲取鐵路過境區域長257km，寬4km的雷達點云數據和數碼影像數據，利用該數據圓滿完成了無外業控制測量情形的1：10000和1：2000的地形圖成圖任務，不僅避免了人力物力消耗和地雷區作業的危險性，而且在內業成圖中，大膽使用數字正射影像地形圖代替傳統的DLG，取得了制作者和使用者均滿意的雙贏局面。
（三）推廣應用前景
機載激光雷達測量技術具有巨大的發展空間和潛力，作為一種新技術，還有許多發展空間，特別是在數據處理算法以及軟件和系統的開發等方面。隨著用戶數量的增加，其應用領域將越來越廣，特別是隨著激光技術的進一步發展，將促進機載激光雷達技術的革新。在鐵三院于2009年率先在國內將機載激光雷達技術應用于鐵路勘察設計并取得巨大成功后，今年鐵一院、鐵二院、鐵四院都陸續定購了機載激光雷達并加大了人力投入，可見由于其精度高、成本低、周期短等特點在鐵路行業已經被廣泛關注。鐵路行業之外，水利、公路、電力、農林等行業也在積極開展相關的研究和應用。
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英文名稱：Modern Radar
主管單位：工業和信息化部
主辦單位：南京電子技術研究所
出版周期：月刊
出版地址：江蘇省南京市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：1004-7859
國內刊號：32-1353/TN
郵發代號：28-288
發行范圍：國內外統一發行
創刊時間：1979
期刊收錄：
CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
期刊榮譽：
聯系方式
期刊簡介
關鍵詞 地震 生命探測儀 SR（Snake Robat） 多技術融合
中圖分類號：TN215 文獻標識碼：A
1多技術融合的生命探測儀的研究意義
地震、滑坡、泥石流、雪崩等自然災害已經嚴重影響和制約了人類社會經濟的發展。21世紀以來，全世界已有約500萬人死于各種自然災害，8億人生活受到影響，人類每年創造的財富約有10%被各種自然災害吞噬。作為一個多地震的國家，我國本世紀已經發生多次強地震（近年來所發生的大地震情況分布及其所帶來的災難如表1所示）。我國與其他國家相比，在應對地震災難方面顯然還存在著許多不足之處。
面對如此頻繁的地震災害，當務之急是開發新技術新設備提高災后緊急搜救的能力。因此，研究多技術融合的生命探測儀可以為災后的救援工作提供有力的幫助。這對保護人民生命、體現以人為本、構建和諧社會、維護社會穩定具有重要意義。
2基于多技術融合的生命探測儀“SR”的設計原理
面對地震，雖然已經擁有了多種高科技的生命探測儀，但是事實證明各種探測儀器均存在一定的缺點。本文即基于現有探測儀的各種性能比較，設計一種全新的探測儀器――“探命蛇”（Snake Robat，簡稱“SR”）。
2.1簡介
“SR”作為一種需要在廢墟中搜救生命的先進儀器，它具有蛇一樣的外形，是一種融合了先進的紅外線光感技術和雷達聲波技術，可對災后地區實行搜救的探測工具。
2.2主要構成
2.2.1蛇皮――鉻金屬的融合
鉻是“SR蛇皮”的主要組成成分。據現有資料分析可知，鉻（也可叫可多米）鍍在金屬上可以防銹，既堅固又美觀。而且，鉻具有很高的耐腐蝕性，在空氣中，即便是在熾熱的狀態下，氧化也十分地緩慢，且不溶于水，其質硬而脆，是堅硬“鎧甲”的不二之選。
2.2.2蛇形――精巧的設計
此外，為了便于在亂石縫隙中穿梭自如，“SR”的體型應盡可能的小。這就對其內部的零件設計有了很高的要求（做到“麻雀雖小，五臟俱全”的地步）。它的主體非常柔韌，像是通下水道用的蛇皮管，能在瓦礫堆中自由扭動。
2.2.3蛇眼――光感與視頻技術的融合
“SR”的頭上裝有一個微型的生命感應器，主要是利用光反射進行生命探測生成清晰的圖像以供搜救人員探查廢墟中的具體情況。它的主要功能是，隨時隨地都能感受到微弱的生命跡象。
2.2.4蛇耳――擴聲器的運用
“SR”頭部兩側還有一雙十分小巧玲瓏的“耳朵”――擴聲器，目的是用來“傾聽”十分微弱的呼吸頻率和心跳。
2.2.5蛇信――電磁波與雷達技術的融合
“SR”的“蛇信子”采用以電磁波探測為媒介，探測呼吸、心跳所引起的人體體表微動，進而提取所需的生命體征參數，并判斷有無生命體存在的超寬譜生命探測雷達。
2.2.6蛇身――視頻與音頻以及通訊技術的融合
“SR”身體里“隱藏”著的微型攝像頭和話筒將傷員情況傳達給外界，這樣，搜救人員就能通過電腦監控視頻了解到廢墟之中的情況甚至于與傷員進行簡短的通話。為了保證不受震后網絡癱瘓的干擾，“SR”采用的通訊技術是Zigbee技術。
3可行性及設計優勢分析
“SR”鉻金屬的融合使得其具有堅硬的外殼，又不失柔韌，在取材上實現了創新。呈“蛇身”的形體，使得在瓦礫碎石中行動自如。
由微型的生命感應器組成的“蛇眼”探頭，可深入極微小的縫隙探測，準確發現被困人員，其深度可達幾十米以上，特別適用于對難以到達的地方進行快速的定性檢查。相對于現下的熱紅外線探測儀來說，“SR”結合了先進的光反射技術，夜視功能更強、探測距離更遠，微小的體型，攜帶便捷，克服了熱紅外線探測儀行動不便的缺點。
“SR”的“蛇信”汲取了超寬譜生命探測雷達技術的精髓，具有發射脈沖極窄、高距離分辨率、穿透能力強和較好的抗干擾能力等優點，避免了聲波探測儀容易受周圍寬頻噪聲影響大的弊端。且結合了電磁波技術，能夠利用光的干涉、衍射、偏振.在全息投影技術中使人們視覺上看到立體影像，再加上“蛇身”里隱藏的CCD微型攝像頭，具有體積小重量輕，功耗小，抗沖擊與震動，性能穩定，壽命長；靈敏度高，動態范圍大；響應速度快，生產成本低等特點。還采用了三維激光掃描系統，圖像采集的分辨率不低于680-480，測量精確、范圍廣，大大提高了搜救的準確度。
“蛇耳”部分的擴聲器與隱藏在“蛇身”中的話筒相結合，不僅可以使外界“聽到”廢墟中虛弱的呼救聲，而且可以與傷員進行簡短的通話，在實行有效施救時可安撫傷員情緒。
而所采用的Zigbee通訊技術組成的是一種低速率的無線區域網，具有結構簡單、成本低廉并且網絡容量大等優點，其數據傳輸可靠、通信范圍廣，適合于在復雜的巷道結構中及時與救援人員取得聯系，執行監測和搜救任務。
4總結
本文通過對生命探測儀技術相關的一些學術論文的研讀，并經過一定的研究探討，在一些先進技術的基礎上，針對現有最具代表性的生命探測儀的優缺點，構想出以上一款多技術融合的生命探測儀“SR”。筆者認為，災難帶給我們的思考并不僅僅是上述的一個“SR”的構想，更應該值得我們永久地去探究未來的高深科技。
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關鍵詞:鐵路工程;地質雷達技術;基樁檢測技術;隧道及擋土墻
中圖分類號:U215文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2010)03-0131-02
鐵路運輸是我國重要的運輸方式,它貫穿了我國南北東西的運輸道路,同時還是拉動各地經濟發展的重要保障,所以,我們有必要加強鐵路工程的檢測,保障鐵路運輸的正常運行。
鐵路工程質量檢測的方法有很多,一般都是使用動測技術檢測法和地質雷達檢測法,這是兩種新方法,已經在鐵路檢測方面得到了廣泛的應用。檢測可以讓我們對工程進行一個整體的評價,并且可以保證工程的質量和工程運營的安全性。
為了讓工程檢測達到更好的效果和目標,我們將工程檢測的方法慢慢的組合成一套體系,我國鐵路部門經過多年的努力和實踐摸索,在鐵路工程檢測方面已經累積的豐富的經驗為我們在今后的工程實踐中提供了很好的基礎,在此,文章就對工程的檢測方法及其的問題做闡述和分析,在路基填筑、隧道及擋土墻幾個方面進行論述,供交流和參考。
一、地質雷達檢測方法
地質雷達術是鐵路工程檢測的一項新技術,它就是利用電磁波反射原理進行檢測的,主要是應用在淺層地質結構和工程質量檢測的方面,指一種地球物理方法。地質雷達檢測的方法有其自身的優點,比如它比其他的檢測方法更精準,對地面無損害,并且測試的速度更快。地質雷達檢測技術的應用范圍不止是鐵路檢測方面,它還在場地勘察和工程質量檢測兩大領域應用廣泛,在場地檢測方面一般是用于工程場地勘察、鐵路與公路路基狀態探查、基巖風化層探查、地下水探查、地下溶洞和人工洞室探測等。其次在工程質量檢測方面一般用于鐵路和公路隧道襯砌、高速公路路面及路基、機場跑道等質量檢測和工程結構檢測等。
通過時間和研究,關于地質雷達的檢測方法在隧道地質檢測中也得到了應用,可見,這種方法前景非常廣闊,比如在鐵路,渝懷鐵路,宜萬鐵路都分別利用了地質雷達檢測隧道的質量和混凝土的結實程度。隧道混凝土的質量好壞直接決定了隧道是否可以穩定之久的正常使用,對隧道的建設起著重要的作用。
二、基樁檢測方法
(一)橋梁基樁
橋梁基樁質量的檢測的主要目的是為了檢驗基樁上的混凝土是否完整,通常是應用低應變法或聲波透射的方法,當檢測到混凝土有問題時,還可以用鉆心取樣的方法對混凝土直接檢測。為了更好說明這個方法,我們通過一個實例對它進行分析。
案例分析。根據北京某鐵路橋梁工程的現狀分析,我們可以得知,該橋梁的樁長為:367樁長60m、樁徑1.5m、C3O,413樁長60ITI、樁徑1.25ITI、C3O。了解清楚它的具體情況后,我們認為,在這次的案例中說明低應變法在樁身外型尺寸較為規則情況下可以準確的檢測到超長樁樁低的信號,同時我們也應該考慮到367樁2.6m所存在的缺陷。因為這種方法也許會因為樁底清晰度、波速正常反而影響測試判斷,會出現誤判從而引起輕微的缺陷。那么,檢測的方法最好是利用低應變法結合局部聲波透射法實施綜合的評價,以達到更好的效果。
低應變法的特點是實踐性非常強,同時已經被工程質量檢測廣泛使用,這種方法使用的有關參考材料是非常豐富的,在實際的工程施工階段,我們要強調,每一個樁體都必須進行高密度的檢測,以保證樁體的質量,減少問題樁的出現,同時要仔細觀察,細心驗證,確保樁的質量。
聲波透射法是根據超聲波的透射原理檢測樁身完整性,它不僅突破了低應變法存在的局限性,還實現了兩種方法的互補,效果明顯。聲波透射法檢測基樁完整性的測試方法是按照統計的方法進行的,但它的前提是,所有測點的聲學參數的概率分布近似為正態分布。
我國現階段的聲波透射法技術還在不斷的發展壯大中,現在連續式快速采集的聲波檢測儀已經成為檢測的重要手段,它和傳統的點式測量的聲波檢測儀相比,對現場施工情況下數據的采集和質量檢驗的精準更大幅度的提高了,因為應變法時常出現測試信息經常會出現一些不完整的情況,所以在檢測方面仍然存在隱患,特別是在鐵路工程普遍采用100年使用壽命的當下,這種隱患應該引起重視,并得到解決。
(二)地基處理樁
在鐵路建設的工程中,有關地基的處理一般都是利用地基處理樁進行處理,通常的樁型有CFG樁、PHC樁、粉噴樁、濕體攪拌樁、高壓旋噴樁、碎石樁等,要按照實際情況的不同而選擇,一般按照設計標準和地質條件的時間情況選用,對樁身的質量和承壓能力進行抽樣檢測。根據樁行的不同檢測的方案也不同,具體有以下兩種情況:
1.像CFG樁、預制樁等都是使用低應變法和載荷試驗檢測的方法檢測樁身的完整程度和承壓能力,這種方法對CFG樁的完整程度的檢測有比較好的效果,關于多節預制樁,因為該樁容易受到接樁部分的影響,對樁體以下部分的檢測不能很準確的達到檢測要求,所以,就應該對有問題的樁體使用高應變法或載荷試驗進行驗證方法。
2.粉噴樁、濕體攪拌樁、高壓旋噴樁等采用鉆芯的荷試驗檢測其樁身完整性和承載力,因為選用的方法都是直接的方式,可以保障工程質量和檢測工作順利的進行。
(三)路基填筑
我國的鐵路建設標準在不斷的提高,目前已經形成了比較完整的路基填筑質量控制體系,正在不斷的積累經驗和完善檢測方法,這種方法是全方位的檢測,主要是施工階段和成行的路基質量檢測評價的方面,在檢驗的同時要注意以下幾個方面:
首先,在施工的過程中,要求施工單位嚴格的依據國家規定的驗收標準進行驗收,有關的負責單位還要進行抽查檢驗,同時要求我們在原有的基礎上建立并完善多方的檢測體系和監察單位的抽查體制,以保障路基填筑工程的質量和順利實施。其次,對已完成的鐵路路基修建工程的檢測的內容要明確,其中包含了該路基修建完成的質量和成形后的路基道路運營和使用的基本情況。建設部門最關心的就是路基的運營情況和該路基所能承受的壓力,這是路基質量是否合格的重要指標。
(四)隧道及擋土墻
隧道及擋土墻的工程質量檢驗一直是個難題,檢驗和評價都很難進行,但是自從使用地質雷達技術之后,使我們對隧道和擋土墻的檢驗和評估可以順利的進行。這些年來,地質雷達技術在隧道和擋土墻檢測的方面都得到了廣泛的應用。
這種檢測方法的幾種方案是,首先在隧道分成有六條縱貫檢測線的格局形式,檢測人員再對這六條檢測線進行檢,實現對隧道的整體檢驗,檢測的內容包括:二次襯砌及隧底厚度、鋼筋及鋼架分布、拱圈和仰拱混凝土的固定的后后部回填后的密實度;在現階段,隧道的檢測工程包含了,竣工驗收、階段性檢測和既有線隧道質量評價等三個方面,實際上,除了在隧道竣工后,其他階段的檢測條件和狀況都是不理想的,研發出一套保持天線沿測線密貼和較均勻走行的裝置,它可以減少在檢測時施工環境對其的影響,可以保障數據的有效采集和準確度。
地質雷達應用在擋土墻檢測的時候,它的具體方案是,在水平方向設置一條檢測線,如果擋土墻的高度超過了設定的高度,那么就根據實際的情況,按照一定的間隔距離來確定檢測線的條數;如果檢測環境有缺陷,就應該加強檢測線的格局。
檢測內容有擋土墻混凝土的厚度和密實度,以及回填的厚度和密實度。地質雷達技術應用在擋土墻檢測時的效果還是比較好的。
三、結語
首先,我們采用地質雷達無損檢測,就可以將在施工中出現的各種大小質量問題攔截在施工建設階段之外,同時,我們的技術程度也在不斷的加高,在獲取數據和分析數據方面都在不斷的完善和進步。地質雷達探測的方法將得到更加廣泛的發展和應用空間。
隨著這種技術的推廣,其他的技術也在不斷的深化和改革,我們要不斷發展新技術,改善舊的技術,讓鐵路質量工程檢測達到最高的標準。
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關鍵詞：雷達探測威力；中低；表征方法
中圖分類號：TN959文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.029
1引言
雷達研制廠所在交付裝備時會給出雷達探測垂直威力圖，從該圖中能直接讀取雷達對不同高度（仰角）空中目標的最大探測距離值，這些指標值根據雷達技術參數和目標RCS大小經雷達方程計算得出，并通過檢飛試驗驗證[1]。然而該雷達威力圖并不能全面反映對空警戒雷達在目前典型防空戰術背景條件下的探測能力，主要局限性體現在兩個方面：一是垂直威力圖給出的指標值僅是針對指定RCS目標的計算結果，不同目標的RCS不同，垂直威力圖不能直接給出雷達對其他RCS目標的探測能力；二是垂直威力圖不能詳細描述雷達對低空突防目標的探測能力。圖1是某典型中低空搜索雷達對RCS為2m2目標探測的垂直威力圖[2]，該圖給出了雷達對2000m以上高度飛行目標的探測能力，而未能給出雷達對2000 m以下高度目標的探測能力。現代戰爭表明，戰斗機在攻擊行動中，通常會選擇在較低的高度進行突防，雷達對低空目標的探測是雷達探測能力評估的一個重要關注點。論文針對雷達探測垂直威力圖的上述局限性，提出了雷達探測威力的新的表現形式及其計算方法，利用該方法計算雷達對典型空中目標的探測威力，并對計算結果進行進一步分析。
2雷達探測威力表現形式及計算方法
戰斗機在進行反艦和對地攻擊行動時，通常會選擇在某個高度層進行突防，當逼近至導彈的射程之內時開始發射導彈。如果在戰斗機突防階段能及時發現目標，并在導彈發射之前進行有效攔截，能大大提高防空作戰的效能[3]。基于以上原因，提出雷達對空探測威力的表現形式，為雷達對不同RCS目標在不同高度條件下最遠發現點在地球曲面上的投影距離（簡稱為水平距離）。與反艦導彈或對地攻擊導彈的射程相比較，水平距離能直觀反映防空作戰中雷達對戰斗機攻擊行動的快速反應能力，
首先根據目標RCS、雷達威力圖和雷達方程計算雷達對各仰角目標的最大探測距離，然后根據雷達與目標之間的幾何關系計算雷達對各高度層目標探測的水平距離。
可以看出，當目標飛在300 m以下高度飛行時，雷達探測水平小于100 km，而當前服役的機載反艦導彈或者對地導彈的射程大都超過100 km[6]，因此，當中小型戰斗機選擇在300 m以下高度進行突防和攻擊時，雷達無法在導彈發射之前發現目標。因此該區域是中小型戰斗機突防的最佳區域，也是防空預警探測的薄弱區域。
同理，計算雷達對隱身戰斗機在各飛行高度層的水平探測距離如圖5所示。
可以看出，無論隱身飛機從哪個高度突防，雷達探測的水平距離都不超過90 km，小于機載反艦導彈或對地導彈的射程，其中，當隱身飛機在4 500 m以上高度突防時，雷達探測水平距離不超過40 km，并且小于在100 m高度突防時的探測水平距離，所以隱身飛機選擇從高空突防被探測到的概率更低，這是由于對空警戒雷達為有效利用探測能量對天線方向圖進行了低空賦形所致。可以看出，目前常規對空警戒雷達難以對抗高空突防的隱身目標，必須采取有效手段[7-17]。
3結束語
文章提出了在一定戰術背景條件下雷達對空探測威力的表征計算方法，即先根據雷達指標威力圖、目標RCS和雷達方程計算雷達對各仰角目標的最大探測距離，然后利用雷達與目標之間的幾何關系求解出雷達對目標在各高度上最遠發現點在地球曲面上的投影距離。該投影距離能體現防空作戰中信息系統對目標攻擊行動的快速反應能力。可以得到該方法可為艦載和岸基雷達對空探測能力的評估提供定量分析手段。
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【關鍵詞】L波段;功率合成;Wilkinson功分器;匹配電路
1.引言
在雷達系統應用中，發射系統功率增大意味著具有更遠的作用距離。因此，提高發射系統的輸出功率對雷達系統性能的提高至關重要[1]。
隨著半導體材料和制造工藝的進步，人們在固態微波器件領域取得了突飛猛進的進展，單個功放器件輸出功率逐漸增加，但是單個固態功放輸出的功率仍然難以滿足系統的需要[3]。因此采用功率合成技術提高輸出功率以滿足系統功率需求就成為一種非常有效的解決方法，在目前雷達系統中得到了廣泛使用。
在功率合成器設計中，功率合成器插損、通道間相位不一致性、幅度不一致性會影響合成效率。相對于電橋結構，Wilkinson功分器在幅度一致性，相位一致性的性能上具有明顯的優勢[4]。
因此在本文中，采用三級Wilkinson并饋結構，設計了一款L波段功率合成器，工作頻段1.2GHz-1.4GHz，輸出端口反射系數S11
2.原理分析
2.1 歸一化Wilkinson功分器奇偶模分析[5]
對于偶模激勵，沒有電流流過隔離電阻，因此不產生作用，可認為r/2阻值0Ω接開路。如圖1所示：
圖1 歸一化的Wilkinson偶模電路
則從端口2向里看阻抗為：
Zine= （1）
這樣，若Z=，則對于偶模激勵端口2匹配。
對于奇模激勵，沿著Wilkinson功分器的中線是電壓零點，如圖2所示。
圖2 歸一化的Wilkinson奇模電路
端口1短路經過傳輸線為開路，因此，從端口2看向功分器，為r/2，這樣，選擇r=2，奇模端口2匹配。電阻將奇模的功率吸收，而沒有反射回端口2，從而使端口2匹配。
通過以上分析，Wilkinson功分器在單頻點上可以達到3個端口完全匹配。
2.2 匹配電路加寬合成器工作帶寬
由于色散效應，造成了功率合成器有一定的帶寬。50Ω經過特性阻抗50Ω電長度傳輸線后阻抗為：
Z=50×=50 （3）
由于在中心頻率f0為，因此Wilkin-son功分器輸入端口阻抗可表示為：
Zin=Z/2= （4）
Wilkinson功分器輸出端口阻抗可表示100Ω經過特性阻抗50Ω電長度傳輸線后的阻抗：
Zout=100×= （5）
由公式（4）可推導出理論上單個Wilkin-son功分器S11
圖3（a） Wilkinson功分器輸出端口阻抗
圖3（b） Wilkinson功分器輸入端口阻抗
圖3（c） Wilkinson功分器輸入端口經過阻抗匹配后的輸入阻抗和Wilkinson功分器輸出端口阻抗
為了展寬帶寬，本文在第二級和第三級之間加入匹配電路，使第二級兩路合成器輸出阻抗（Wilkinson功分器輸入阻抗）和第三級2路合成器輸入阻抗（Wilkinson功分器輸出阻抗）接近共軛匹配如圖3（c）所示。以實現8合1功率合成總輸出端口駐波指標。
由圖3（a），圖3（b）功分器輸入阻抗和輸出阻抗經過匹配電路得到圖3（c），匹配電路長度接近，并且需加入了一定的阻抗變換。
3.8路功率合成器的設計
通過上述理論得到的8路合成器如圖4所示，采用Taconic公司RF-35板材，物理尺寸為280mm×85mm。空氣腔高度為15mm。
圖4 8路合成HFSS模型
圖5 8路合成器輸出端口反射系數
圖6 8路合成器輸入端口反射系數
圖7 8路合成器插損
圖8 通道間相位差
最后8路合成器輸出端口反射系數如圖5所示，在工作帶寬1.2GHz-1.4GHz，輸出端口反射系數S11<-25dB。
由圖6可知，工作帶寬1.2GHz-1.4GHz內，輸入端口反射系數小于-20dB，一般當輸出端口接的負載駐波小于2時，功放仍然能正常工作。此指標保證了當有功放損壞時，不會導致其他完好功放也損壞。
由圖7、圖8可知插損平均為-9.33dB，幅度不一致性
4.總結
本文應用并饋結構和Wilkinson功分器實現8路合成，保證相位和幅度的一致性。由于不加匹配時，8路合成器帶寬窄，達不到指標要求，本文通過在第三級和第二級Wilkinson功分器之間加入匹配電路保證工作頻帶內輸出端口反射系數較小，極大改善了因反射導致的插損，提高了合成效率，設計了一款性能良好的8路合成器。
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作者簡介：
汪灝（1987―），男，浙江衢州人，碩士，助理工程師，現供職于西安電子工程研究所，研究方向：固態發射機技術。
關鍵詞：NANDFlash，多通道流水線，大容量高速
1. 引言
本文的項目背景是企業一個大容量半導體閃存控制器的預研方案，而如何擴大容量，提高閃存存儲速度是研究中的一個重要部分。以半導體作為記憶載體Flash芯片，比傳統的磁存儲設備更能承受溫度的變化、機械的振動和沖擊，可靠性更高，易于實現高速度、低功耗和小型化，日趨成為存儲器的主流。它分為NOR 和NAND兩種類型。與NOR型相比，NAND型具有存儲密度更高、功耗更低、芯片引腳兼容性更好和成本效益更高等優點，在計算機及多媒體消費類電子產品中得到廣泛應用。而現在單個NAND Flash芯片的存儲容量比較小，讀寫速度也比較慢，因此，開發出高速、大容量的存儲系統就顯得尤為重要。本文將從NAND Flash的結構特性出發，對擴大閃存容量，提高存儲技術進行探討。由于NAND Flash有多個生產廠商，產品之間有一些差異，本文采用現在市面上流行的三星K9K8G08U0M[1]高密度NAND Flash 存儲芯片，這樣研究就有了很好的現實意義及實用價值。
2. K9K8G08U0M型NAND Flash芯片內部組成
圖1 K9K8G08U0M芯片內部邏輯結構圖
3. 擴展容量--多通道高帶寬Flash存儲陣列
圖2 存儲陣列組織結構示意圖
4 提高存儲速度方法探討
4.1 并行總線及并行分路技術[4]
并行總線技術亦稱拓寬總線技術，也即上節所提到的位擴展技術，即通過拓寬數據總線的寬度實現數據宏觀上的并行操作。免費論文。比如, 由4塊8bit數據總線的芯片組成一個32 bit寬的存儲模塊, 它們共用相同的控制信號, 包括片選信號、讀寫信號、地址信號等。免費論文。存儲模塊總是被看作一個整體而進行相同的操作, 只是數據加載的時候是不同的數據。這樣，數據量將是使用一塊芯片時的4倍, 所以理論上速度也將是非并行時的4倍。時分多路復用通信，是指各路信號在同一信道上占有不同時間間隙進行通信，具體說，就是把時間分成一些均勻的時間間隙，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隙，以達到互相分開，互不干擾的目的。借鑒時分多路復用通信技術, 可以將輸入存儲系統的高速數據流看作是以傳輸一個字所需的時間為一個時間片, 不同的時間片傳輸不同數據的時分多路數據復用。這也是下面要詳細說明流水線技術的基本原理。
4.2 多通道流水線技術
流水線技術是一種非常經濟、對提高處理機的運算速度非常有效的技術，它依據的是時間并行性。存儲系統采用流水處理技術有兩個前提條件：首先，在前一個I/O命令沒有完全結束之前，系統能獲取下一個I/O命令的有關信息；其次，不同部件應能同時操作，資源不發生沖突。由NAND Flash的寫時序圖分析可得，NAND Flash寫入操作可分為3個步驟[3] ：首先，加載操作，即完成命令、地址和數據的載入工作；其次，自動編程操作，即由閃存芯片自動完成編程操作，將載入到頁寄存器的數據寫到內部存儲單元的；最后，檢測操作，即在自動編程結束后檢測寫入的數據是否正確。如果不正確，需要重新編程；如果正確，繼續下一步的操作。
在寫入自動編程命令后，NAND Flash提供專門的R /B#輸出信號變低，指明當前正在進行內部編程操作，進入自動編程狀態后的典型時間為700μs，遠遠超過前面的加載操作部分，當自編程操作完成后，R /B #變高，因此，對NAND Flash的操作滿足流水線要求，可對寫操作采取流水操作。免費論文。而用幾級流水才能使得系統能夠最高效的運行，下面來進行分析：
圖3 存儲器寫操作流水方式
采用八級流水后的寫速度計算[3] ,寫入速度=（1頁數據量×并行操作芯片數量×流水級數）/（加載時間×流水級數+自編程時間+檢測時間），可得理論寫速度為45MB / s。
5 總結
NAND Flash存儲密度大，功耗小，可靠性高，體積小重量輕且成本也在不斷降低，今后擁有非常廣闊的市場。本文主要從芯片自身的結構特性出發，從硬件的角度采用位擴展、并行總線、及流水線技術對提高NAND Flash存儲容量和速度進行了探討。同時在提高閃存容量的速度方面的探討還可以涉及到Flash糾錯算法（ECC），地址映射表[4]，Flash文件系統優化算法等等，這些都有待在今后的工作中進行研究。
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