时间：2023-03-22 17:43:06
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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
（1）理解文中重要概念的含义。
（2）理解文中重要概念的含义。
2、分析综合
（1）筛选并整合文中的信息。
（2）分析文章结构，把握文章思路。
（3）归纳内容要点，概括中心意思。
（4）分析概括作者在文中的观点态度。
3、圈划选项信息源。
在作答过程中先用铅笔在原文找出选项信息源，并做标记。
4、将选项与选项信息源做比较。
比较点多为：
1）句意逻辑是否一致。
2）表意范围是否发生扩大或缩小。
3）是否发生张冠李戴。
4）是否绝对。
5）是否无中生有。
关键词：LiDAR；铁路勘察设计，DEM；DLG
中图分类号：TN958.98文献标识码：A文章编号：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
机载激光雷达技术（LiDAR）是一种全新的遥感技术，自上世纪90年代在德国首次出现商用样机系统以来，因其高精度和高效率，在地形测绘方面得到快速发展。目前，全球已经有几十套商用系统在使用，主要实用系统有：Topscan、Optech、TopEye、Saab、Fli-map、TopoSys、HawkEye、Leica ALS50/60系列、Falcon等。
上世纪90年代中后期至今，美国、德国、加拿大、澳大利亚、瑞典和芬兰等国家，先后成功应用这项技术进行了地形测量、森林资源调查与评估、三维城市建模等试验与工程实践。特别是芬兰和德国，已经采用这项技术建立了全国或者大部分国土的DEM，达到了理想的效果。目前在国内已经有接近20套LiDAR设备，其中，北京星天地信息科技有限公司、山西亚太数字遥感新技术有限公司、广西桂能信息工程有限公司、广州建通测绘技术开发有限公司以及东方道迩公司等单位已经先后开展了实验和工程飞行，主要用于生产数字高程模型（DEM）、正射影像（DOM），进而制作线划图（DLG）等。本研究将使用LiDAR技术对铁路勘察工程设计进行研究与试验，介绍其主要产品及应用并对经济效益进行评价。
二、机载激光雷达技术系统构成与工作原理
（一）机载激光雷达技术简介
LiDAR系统是一种新型的综合应用激光测距仪、IMU、GPS的快速测量系统，可以直接测得地面物体各个点的三维坐标。机载的激光雷达系统通常还集成高分辨率数码相机，用于获取目标影像。从功能上看，机载激光扫描系统是基于激光测距技术、GPS技术和惯性导航技术这三种技术集成的一个软硬件系统，其主要目的是为了获取高精度的数字表面模型（DSM）。
目前，LiDAR提供的直接数据产品为：点云数据，DSM，DEM，DOM。经过后处理可以快速生成等高线、高程点、横纵断面图，完成路线设计需要的专项测绘内容（如架空管线的净空、交叉角度测绘等），并提供工程设计模型和景观设计模型等。
（二）LiDAR的主要系统构成
主要系统构成包括：
1.扫描仪组件：激光发射器、激光信号接收器、机械组件、扫描镜及窗口、接口板。
2.设备支持系统：系统控制器、飞机位置及姿态测量系统、检流控制器、激光电源、电源分配器、控制计算机、连接电缆。
3.附属软件：包括项目飞行设计及对记录数据进行后处理（滤波、分类等）处理。
4.控制/显示器：激光发射指标器、音频告警器、电路熔断器、系统诊断数据输出、控制接口。
（三）主要工作原理
通过DGPS（或PPP）和IMU求得航机线上任意采样时刻激光发射中心的空间坐标和设备的空间姿态，内插后能够获取任意时刻激光光束的姿态和发射中心的空间坐标，通过激光测量激光发射中心到地面的距离，可以求得每一个激光脚点的空间三维坐标。另外，利用DGPS/IMU可以直接获取每一张照片的外方位元素，可以快速制作DOM成果。最后将激光点数据和数码影像进行联合处理得到高精度的正射影像和数字高程模型。
三、机载激光雷达的应用
机载激光雷达能够快速获取数字地表模型（DSM），同时，配套的中画幅数码相机可以获得同步的数码相片，经过加工处理可获得数字高程模型、分类信息、航空相片的立体像对和正射影像图。目前还没有成熟的专业接口供铁路勘察设计工程中使用机载激光雷达成果，因此，如何将机载激光雷达勘测成果与众多设计专业手段无缝结合，从海量基础信息中快速提取或检索有用的信息为各专业设计所用，是机载激光雷达技术应用于铁路勘察设计的关键。
结合铁路勘察设计特点和工程应用实践，一方面将机载激光雷达技术成果进行加工，提供满足专业应用的专题成果，另一方面，改进专业设计勘察设计流程，提出新的设计理念，以便更加有效地利用海量的基础信息，提高设计质量和设计效率。
利用机载激光雷达技术提供的高精度、高分辨率数字地面模型和正射影像图，结合铁路专业设计要求，主要生产以下几种产品（见图4）：
1.工点地形图。它是针对铁路设计的控制工点，在施工图阶段做的更加详细的勘测工作，以保证设计资料的精度和准确性。如：桥址地形、隧道进出口等；
2.断面图。主要包括纵断面和横断面，一般它们的精度高于地形图的精度。主要用于保证设计线路的平顺性和计算工程数量的准确性；
3.数字正射影像地形图。这是线划图的替代产品，通过将正射影像图叠加等高线、专业调查的地质界线、自然保护区等矢量信息，而形成的一种地形图，它的信息量更加丰富，更加直观；
4.专项测绘。针对特殊的专业需求而进行的详细勘测工作。如：水文断面、涵轴测量、电线垂度等；
5.工程中的土石方自动计算、坡度、坡向的计算等；
6.快速构建三维虚拟场景，城市建模等。
此外，还可利用高分辨率的影像进行专业调查、地质判视等，便于指导外业工作，提高外业勘测的针对性和合理性。
四、技术、经济效益和推广应用前景
（一）机载激光雷达测量技术与常规航测方法的经济比较
1.两种技术手段外业控制测量的比较。LIDAR所需的外业控制点与常规航测外控的比较，以II级地形1：2000航测地形图测绘（常规航测单航带100km）为例。
（1）首级平面和高程控制网工作内容和数量是基本相同的。
（2）LIDAR系统要求每5-7km测量一个平面和高程控制点，每30km测量一处高程校正区，这样100km线路需要布设平高控制点17个，高程校正区3个。而常规航测方法，采用150mm焦距的航摄仪拍摄，需要75个平高控制点；采用210mm焦距的航摄仪拍摄，需要150个平高控制点。
（3）LIDAR系统不因地形等级的变化而改变外业平高控制点的数量（适当的宽度，如不大于10km）。而常规航测方法会随着宽度的增加而成倍增加外控点的数量。
2.横断面切绘的经济比较。以张唐铁路定测为例，相对于采用Lidar技术平均1000-1200个横断面/人天的工作效率，常规航测方法每人每天只能切绘300-400个横断面，可见工作效率提高了3-4倍，对企业发展带来了巨大的经济效益。
3.地形图制作的经济比较。以II级地形1：2000地形图测绘为例。
因为LIDAR具有高效生成DEM的优势，所以在生成等高线、高程点等具有高程信息的地形信息时具有更高的效率，在这个方面，采用Lidar技术平均效率为12-15平方公里/（人.天），常规航测方法每人每天只能测绘2-3平方公里；
航测方法在立体模型下获取（除等高线、高程点之外）矢量信息具有更大的优势，而LIDAR则因其自身离散性获取能力比较弱，适合于小面积的（除等高线、高程点之外）矢量信息获取。
（二）成功案例及分析
经过试验与实践，LiDAR技术已成功用于多个铁路项目的勘测设计项目，减少了内业制图的压力，缩短了项目工期，在铁路各专业使用中反映良好，取得了显著的经济效益。以某工程为例，泛亚铁路某段全长257Km，由于距离遥远，地处国外，而且铁路过境区域存在大量地雷区域，给外业工作带来极大不便。考虑到地理因素和方案局部变动的因素，项目在实际操作中抛弃传统外业测量加航测制图的作业方式，直接采用机载激光雷达系统，一次性获取铁路过境区域长257km，宽4km的雷达点云数据和数码影像数据，利用该数据圆满完成了无外业控制测量情形的1：10000和1：2000的地形图成图任务，不仅避免了人力物力消耗和地雷区作业的危险性，而且在内业成图中，大胆使用数字正射影像地形图代替传统的DLG，取得了制作者和使用者均满意的双赢局面。
（三）推广应用前景
机载激光雷达测量技术具有巨大的发展空间和潜力，作为一种新技术，还有许多发展空间，特别是在数据处理算法以及软件和系统的开发等方面。随着用户数量的增加，其应用领域将越来越广，特别是随着激光技术的进一步发展，将促进机载激光雷达技术的革新。在铁三院于2009年率先在国内将机载激光雷达技术应用于铁路勘察设计并取得巨大成功后，今年铁一院、铁二院、铁四院都陆续定购了机载激光雷达并加大了人力投入，可见由于其精度高、成本低、周期短等特点在铁路行业已经被广泛关注。铁路行业之外，水利、公路、电力、农林等行业也在积极开展相关的研究和应用。
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英文名称：Modern Radar
主管单位：工业和信息化部
主办单位：南京电子技术研究所
出版周期：月刊
出版地址：江苏省南京市
语
种：中文
开
本：大16开
国际刊号：1004-7859
国内刊号：32-1353/TN
邮发代号：28-288
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：1979
期刊收录：
CBST 科学技术文献速报(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)
中国科学引文数据库(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)
期刊荣誉：
联系方式
期刊简介
关键词 地震 生命探测仪 SR（Snake Robat） 多技术融合
中图分类号：TN215 文献标识码：A
1多技术融合的生命探测仪的研究意义
地震、滑坡、泥石流、雪崩等自然灾害已经严重影响和制约了人类社会经济的发展。21世纪以来，全世界已有约500万人死于各种自然灾害，8亿人生活受到影响，人类每年创造的财富约有10%被各种自然灾害吞噬。作为一个多地震的国家，我国本世纪已经发生多次强地震（近年来所发生的大地震情况分布及其所带来的灾难如表1所示）。我国与其他国家相比，在应对地震灾难方面显然还存在着许多不足之处。
面对如此频繁的地震灾害，当务之急是开发新技术新设备提高灾后紧急搜救的能力。因此，研究多技术融合的生命探测仪可以为灾后的救援工作提供有力的帮助。这对保护人民生命、体现以人为本、构建和谐社会、维护社会稳定具有重要意义。
2基于多技术融合的生命探测仪“SR”的设计原理
面对地震，虽然已经拥有了多种高科技的生命探测仪，但是事实证明各种探测仪器均存在一定的缺点。本文即基于现有探测仪的各种性能比较，设计一种全新的探测仪器――“探命蛇”（Snake Robat，简称“SR”）。
2.1简介
“SR”作为一种需要在废墟中搜救生命的先进仪器，它具有蛇一样的外形，是一种融合了先进的红外线光感技术和雷达声波技术，可对灾后地区实行搜救的探测工具。
2.2主要构成
2.2.1蛇皮――铬金属的融合
铬是“SR蛇皮”的主要组成成分。据现有资料分析可知，铬（也可叫可多米）镀在金属上可以防锈，既坚固又美观。而且，铬具有很高的耐腐蚀性，在空气中，即便是在炽热的状态下，氧化也十分地缓慢，且不溶于水，其质硬而脆，是坚硬“铠甲”的不二之选。
2.2.2蛇形――精巧的设计
此外，为了便于在乱石缝隙中穿梭自如，“SR”的体型应尽可能的小。这就对其内部的零件设计有了很高的要求（做到“麻雀虽小，五脏俱全”的地步）。它的主体非常柔韧，像是通下水道用的蛇皮管，能在瓦砾堆中自由扭动。
2.2.3蛇眼――光感与视频技术的融合
“SR”的头上装有一个微型的生命感应器，主要是利用光反射进行生命探测生成清晰的图像以供搜救人员探查废墟中的具体情况。它的主要功能是，随时随地都能感受到微弱的生命迹象。
2.2.4蛇耳――扩声器的运用
“SR”头部两侧还有一双十分小巧玲珑的“耳朵”――扩声器，目的是用来“倾听”十分微弱的呼吸频率和心跳。
2.2.5蛇信――电磁波与雷达技术的融合
“SR”的“蛇信子”采用以电磁波探测为媒介，探测呼吸、心跳所引起的人体体表微动，进而提取所需的生命体征参数，并判断有无生命体存在的超宽谱生命探测雷达。
2.2.6蛇身――视频与音频以及通讯技术的融合
“SR”身体里“隐藏”着的微型摄像头和话筒将伤员情况传达给外界，这样，搜救人员就能通过电脑监控视频了解到废墟之中的情况甚至于与伤员进行简短的通话。为了保证不受震后网络瘫痪的干扰，“SR”采用的通讯技术是Zigbee技术。
3可行性及设计优势分析
“SR”铬金属的融合使得其具有坚硬的外壳，又不失柔韧，在取材上实现了创新。呈“蛇身”的形体，使得在瓦砾碎石中行动自如。
由微型的生命感应器组成的“蛇眼”探头，可深入极微小的缝隙探测，准确发现被困人员，其深度可达几十米以上，特别适用于对难以到达的地方进行快速的定性检查。相对于现下的热红外线探测仪来说，“SR”结合了先进的光反射技术，夜视功能更强、探测距离更远，微小的体型，携带便捷，克服了热红外线探测仪行动不便的缺点。
“SR”的“蛇信”汲取了超宽谱生命探测雷达技术的精髓，具有发射脉冲极窄、高距离分辨率、穿透能力强和较好的抗干扰能力等优点，避免了声波探测仪容易受周围宽频噪声影响大的弊端。且结合了电磁波技术，能够利用光的干涉、衍射、偏振.在全息投影技术中使人们视觉上看到立体影像，再加上“蛇身”里隐藏的CCD微型摄像头，具有体积小重量轻，功耗小，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；灵敏度高，动态范围大；响应速度快，生产成本低等特点。还采用了三维激光扫描系统，图像采集的分辨率不低于680-480，测量精确、范围广，大大提高了搜救的准确度。
“蛇耳”部分的扩声器与隐藏在“蛇身”中的话筒相结合，不仅可以使外界“听到”废墟中虚弱的呼救声，而且可以与伤员进行简短的通话，在实行有效施救时可安抚伤员情绪。
而所采用的Zigbee通讯技术组成的是一种低速率的无线区域网，具有结构简单、成本低廉并且网络容量大等优点，其数据传输可靠、通信范围广，适合于在复杂的巷道结构中及时与救援人员取得联系，执行监测和搜救任务。
4总结
本文通过对生命探测仪技术相关的一些学术论文的研读，并经过一定的研究探讨，在一些先进技术的基础上，针对现有最具代表性的生命探测仪的优缺点，构想出以上一款多技术融合的生命探测仪“SR”。笔者认为，灾难带给我们的思考并不仅仅是上述的一个“SR”的构想，更应该值得我们永久地去探究未来的高深科技。
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关键词:铁路工程;地质雷达技术;基桩检测技术;隧道及挡土墙
中图分类号:U215文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)03-0131-02
铁路运输是我国重要的运输方式,它贯穿了我国南北东西的运输道路,同时还是拉动各地经济发展的重要保障,所以,我们有必要加强铁路工程的检测,保障铁路运输的正常运行。
铁路工程质量检测的方法有很多,一般都是使用动测技术检测法和地质雷达检测法,这是两种新方法,已经在铁路检测方面得到了广泛的应用。检测可以让我们对工程进行一个整体的评价,并且可以保证工程的质量和工程运营的安全性。
为了让工程检测达到更好的效果和目标,我们将工程检测的方法慢慢的组合成一套体系,我国铁路部门经过多年的努力和实践摸索,在铁路工程检测方面已经累积的丰富的经验为我们在今后的工程实践中提供了很好的基础,在此,文章就对工程的检测方法及其的问题做阐述和分析,在路基填筑、隧道及挡土墙几个方面进行论述,供交流和参考。
一、地质雷达检测方法
地质雷达术是铁路工程检测的一项新技术,它就是利用电磁波反射原理进行检测的,主要是应用在浅层地质结构和工程质量检测的方面,指一种地球物理方法。地质雷达检测的方法有其自身的优点,比如它比其他的检测方法更精准,对地面无损害,并且测试的速度更快。地质雷达检测技术的应用范围不止是铁路检测方面,它还在场地勘察和工程质量检测两大领域应用广泛,在场地检测方面一般是用于工程场地勘察、铁路与公路路基状态探查、基岩风化层探查、地下水探查、地下溶洞和人工洞室探测等。其次在工程质量检测方面一般用于铁路和公路隧道衬砌、高速公路路面及路基、机场跑道等质量检测和工程结构检测等。
通过时间和研究,关于地质雷达的检测方法在隧道地质检测中也得到了应用,可见,这种方法前景非常广阔,比如在铁路,渝怀铁路,宜万铁路都分别利用了地质雷达检测隧道的质量和混凝土的结实程度。隧道混凝土的质量好坏直接决定了隧道是否可以稳定之久的正常使用,对隧道的建设起着重要的作用。
二、基桩检测方法
(一)桥梁基桩
桥梁基桩质量的检测的主要目的是为了检验基桩上的混凝土是否完整,通常是应用低应变法或声波透射的方法,当检测到混凝土有问题时,还可以用钻心取样的方法对混凝土直接检测。为了更好说明这个方法,我们通过一个实例对它进行分析。
案例分析。根据北京某铁路桥梁工程的现状分析,我们可以得知,该桥梁的桩长为:367桩长60m、桩径1.5m、C3O,413桩长60ITI、桩径1.25ITI、C3O。了解清楚它的具体情况后,我们认为,在这次的案例中说明低应变法在桩身外型尺寸较为规则情况下可以准确的检测到超长桩桩低的信号,同时我们也应该考虑到367桩2.6m所存在的缺陷。因为这种方法也许会因为桩底清晰度、波速正常反而影响测试判断,会出现误判从而引起轻微的缺陷。那么,检测的方法最好是利用低应变法结合局部声波透射法实施综合的评价,以达到更好的效果。
低应变法的特点是实践性非常强,同时已经被工程质量检测广泛使用,这种方法使用的有关参考材料是非常丰富的,在实际的工程施工阶段,我们要强调,每一个桩体都必须进行高密度的检测,以保证桩体的质量,减少问题桩的出现,同时要仔细观察,细心验证,确保桩的质量。
声波透射法是根据超声波的透射原理检测桩身完整性,它不仅突破了低应变法存在的局限性,还实现了两种方法的互补,效果明显。声波透射法检测基桩完整性的测试方法是按照统计的方法进行的,但它的前提是,所有测点的声学参数的概率分布近似为正态分布。
我国现阶段的声波透射法技术还在不断的发展壮大中,现在连续式快速采集的声波检测仪已经成为检测的重要手段,它和传统的点式测量的声波检测仪相比,对现场施工情况下数据的采集和质量检验的精准更大幅度的提高了,因为应变法时常出现测试信息经常会出现一些不完整的情况,所以在检测方面仍然存在隐患,特别是在铁路工程普遍采用100年使用寿命的当下,这种隐患应该引起重视,并得到解决。
(二)地基处理桩
在铁路建设的工程中,有关地基的处理一般都是利用地基处理桩进行处理,通常的桩型有CFG桩、PHC桩、粉喷桩、湿体搅拌桩、高压旋喷桩、碎石桩等,要按照实际情况的不同而选择,一般按照设计标准和地质条件的时间情况选用,对桩身的质量和承压能力进行抽样检测。根据桩行的不同检测的方案也不同,具体有以下两种情况:
1.像CFG桩、预制桩等都是使用低应变法和载荷试验检测的方法检测桩身的完整程度和承压能力,这种方法对CFG桩的完整程度的检测有比较好的效果,关于多节预制桩,因为该桩容易受到接桩部分的影响,对桩体以下部分的检测不能很准确的达到检测要求,所以,就应该对有问题的桩体使用高应变法或载荷试验进行验证方法。
2.粉喷桩、湿体搅拌桩、高压旋喷桩等采用钻芯的荷试验检测其桩身完整性和承载力,因为选用的方法都是直接的方式,可以保障工程质量和检测工作顺利的进行。
(三)路基填筑
我国的铁路建设标准在不断的提高,目前已经形成了比较完整的路基填筑质量控制体系,正在不断的积累经验和完善检测方法,这种方法是全方位的检测,主要是施工阶段和成行的路基质量检测评价的方面,在检验的同时要注意以下几个方面:
首先,在施工的过程中,要求施工单位严格的依据国家规定的验收标准进行验收,有关的负责单位还要进行抽查检验,同时要求我们在原有的基础上建立并完善多方的检测体系和监察单位的抽查体制,以保障路基填筑工程的质量和顺利实施。其次,对已完成的铁路路基修建工程的检测的内容要明确,其中包含了该路基修建完成的质量和成形后的路基道路运营和使用的基本情况。建设部门最关心的就是路基的运营情况和该路基所能承受的压力,这是路基质量是否合格的重要指标。
(四)隧道及挡土墙
隧道及挡土墙的工程质量检验一直是个难题,检验和评价都很难进行,但是自从使用地质雷达技术之后,使我们对隧道和挡土墙的检验和评估可以顺利的进行。这些年来,地质雷达技术在隧道和挡土墙检测的方面都得到了广泛的应用。
这种检测方法的几种方案是,首先在隧道分成有六条纵贯检测线的格局形式,检测人员再对这六条检测线进行检,实现对隧道的整体检验,检测的内容包括:二次衬砌及隧底厚度、钢筋及钢架分布、拱圈和仰拱混凝土的固定的后后部回填后的密实度;在现阶段,隧道的检测工程包含了,竣工验收、阶段性检测和既有线隧道质量评价等三个方面,实际上,除了在隧道竣工后,其他阶段的检测条件和状况都是不理想的,研发出一套保持天线沿测线密贴和较均匀走行的装置,它可以减少在检测时施工环境对其的影响,可以保障数据的有效采集和准确度。
地质雷达应用在挡土墙检测的时候,它的具体方案是,在水平方向设置一条检测线,如果挡土墙的高度超过了设定的高度,那么就根据实际的情况,按照一定的间隔距离来确定检测线的条数;如果检测环境有缺陷,就应该加强检测线的格局。
检测内容有挡土墙混凝土的厚度和密实度,以及回填的厚度和密实度。地质雷达技术应用在挡土墙检测时的效果还是比较好的。
三、结语
首先,我们采用地质雷达无损检测,就可以将在施工中出现的各种大小质量问题拦截在施工建设阶段之外,同时,我们的技术程度也在不断的加高,在获取数据和分析数据方面都在不断的完善和进步。地质雷达探测的方法将得到更加广泛的发展和应用空间。
随着这种技术的推广,其他的技术也在不断的深化和改革,我们要不断发展新技术,改善旧的技术,让铁路质量工程检测达到最高的标准。
参考文献
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关键词：雷达探测威力；中低；表征方法
中图分类号：TN959文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.029
1引言
雷达研制厂所在交付装备时会给出雷达探测垂直威力图，从该图中能直接读取雷达对不同高度（仰角）空中目标的最大探测距离值，这些指标值根据雷达技术参数和目标RCS大小经雷达方程计算得出，并通过检飞试验验证[1]。然而该雷达威力图并不能全面反映对空警戒雷达在目前典型防空战术背景条件下的探测能力，主要局限性体现在两个方面：一是垂直威力图给出的指标值仅是针对指定RCS目标的计算结果，不同目标的RCS不同，垂直威力图不能直接给出雷达对其他RCS目标的探测能力；二是垂直威力图不能详细描述雷达对低空突防目标的探测能力。图1是某典型中低空搜索雷达对RCS为2m2目标探测的垂直威力图[2]，该图给出了雷达对2000m以上高度飞行目标的探测能力，而未能给出雷达对2000 m以下高度目标的探测能力。现代战争表明，战斗机在攻击行动中，通常会选择在较低的高度进行突防，雷达对低空目标的探测是雷达探测能力评估的一个重要关注点。论文针对雷达探测垂直威力图的上述局限性，提出了雷达探测威力的新的表现形式及其计算方法，利用该方法计算雷达对典型空中目标的探测威力，并对计算结果进行进一步分析。
2雷达探测威力表现形式及计算方法
战斗机在进行反舰和对地攻击行动时，通常会选择在某个高度层进行突防，当逼近至导弹的射程之内时开始发射导弹。如果在战斗机突防阶段能及时发现目标，并在导弹发射之前进行有效拦截，能大大提高防空作战的效能[3]。基于以上原因，提出雷达对空探测威力的表现形式，为雷达对不同RCS目标在不同高度条件下最远发现点在地球曲面上的投影距离（简称为水平距离）。与反舰导弹或对地攻击导弹的射程相比较，水平距离能直观反映防空作战中雷达对战斗机攻击行动的快速反应能力，
首先根据目标RCS、雷达威力图和雷达方程计算雷达对各仰角目标的最大探测距离，然后根据雷达与目标之间的几何关系计算雷达对各高度层目标探测的水平距离。
可以看出，当目标飞在300 m以下高度飞行时，雷达探测水平小于100 km，而当前服役的机载反舰导弹或者对地导弹的射程大都超过100 km[6]，因此，当中小型战斗机选择在300 m以下高度进行突防和攻击时，雷达无法在导弹发射之前发现目标。因此该区域是中小型战斗机突防的最佳区域，也是防空预警探测的薄弱区域。
同理，计算雷达对隐身战斗机在各飞行高度层的水平探测距离如图5所示。
可以看出，无论隐身飞机从哪个高度突防，雷达探测的水平距离都不超过90 km，小于机载反舰导弹或对地导弹的射程，其中，当隐身飞机在4 500 m以上高度突防时，雷达探测水平距离不超过40 km，并且小于在100 m高度突防时的探测水平距离，所以隐身飞机选择从高空突防被探测到的概率更低，这是由于对空警戒雷达为有效利用探测能量对天线方向图进行了低空赋形所致。可以看出，目前常规对空警戒雷达难以对抗高空突防的隐身目标，必须采取有效手段[7-17]。
3结束语
文章提出了在一定战术背景条件下雷达对空探测威力的表征计算方法，即先根据雷达指标威力图、目标RCS和雷达方程计算雷达对各仰角目标的最大探测距离，然后利用雷达与目标之间的几何关系求解出雷达对目标在各高度上最远发现点在地球曲面上的投影距离。该投影距离能体现防空作战中信息系统对目标攻击行动的快速反应能力。可以得到该方法可为舰载和岸基雷达对空探测能力的评估提供定量分析手段。
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【关键词】L波段;功率合成;Wilkinson功分器;匹配电路
1.引言
在雷达系统应用中，发射系统功率增大意味着具有更远的作用距离。因此，提高发射系统的输出功率对雷达系统性能的提高至关重要[1]。
随着半导体材料和制造工艺的进步，人们在固态微波器件领域取得了突飞猛进的进展，单个功放器件输出功率逐渐增加，但是单个固态功放输出的功率仍然难以满足系统的需要[3]。因此采用功率合成技术提高输出功率以满足系统功率需求就成为一种非常有效的解决方法，在目前雷达系统中得到了广泛使用。
在功率合成器设计中，功率合成器插损、通道间相位不一致性、幅度不一致性会影响合成效率。相对于电桥结构，Wilkinson功分器在幅度一致性，相位一致性的性能上具有明显的优势[4]。
因此在本文中，采用三级Wilkinson并馈结构，设计了一款L波段功率合成器，工作频段1.2GHz-1.4GHz，输出端口反射系数S11
2.原理分析
2.1 归一化Wilkinson功分器奇偶模分析[5]
对于偶模激励，没有电流流过隔离电阻，因此不产生作用，可认为r/2阻值0Ω接开路。如图1所示：
图1 归一化的Wilkinson偶模电路
则从端口2向里看阻抗为：
Zine= （1）
这样，若Z=，则对于偶模激励端口2匹配。
对于奇模激励，沿着Wilkinson功分器的中线是电压零点，如图2所示。
图2 归一化的Wilkinson奇模电路
端口1短路经过传输线为开路，因此，从端口2看向功分器，为r/2，这样，选择r=2，奇模端口2匹配。电阻将奇模的功率吸收，而没有反射回端口2，从而使端口2匹配。
通过以上分析，Wilkinson功分器在单频点上可以达到3个端口完全匹配。
2.2 匹配电路加宽合成器工作带宽
由于色散效应，造成了功率合成器有一定的带宽。50Ω经过特性阻抗50Ω电长度传输线后阻抗为：
Z=50×=50 （3）
由于在中心频率f0为，因此Wilkin-son功分器输入端口阻抗可表示为：
Zin=Z/2= （4）
Wilkinson功分器输出端口阻抗可表示100Ω经过特性阻抗50Ω电长度传输线后的阻抗：
Zout=100×= （5）
由公式（4）可推导出理论上单个Wilkin-son功分器S11
图3（a） Wilkinson功分器输出端口阻抗
图3（b） Wilkinson功分器输入端口阻抗
图3（c） Wilkinson功分器输入端口经过阻抗匹配后的输入阻抗和Wilkinson功分器输出端口阻抗
为了展宽带宽，本文在第二级和第三级之间加入匹配电路，使第二级两路合成器输出阻抗（Wilkinson功分器输入阻抗）和第三级2路合成器输入阻抗（Wilkinson功分器输出阻抗）接近共轭匹配如图3（c）所示。以实现8合1功率合成总输出端口驻波指标。
由图3（a），图3（b）功分器输入阻抗和输出阻抗经过匹配电路得到图3（c），匹配电路长度接近，并且需加入了一定的阻抗变换。
3.8路功率合成器的设计
通过上述理论得到的8路合成器如图4所示，采用Taconic公司RF-35板材，物理尺寸为280mm×85mm。空气腔高度为15mm。
图4 8路合成HFSS模型
图5 8路合成器输出端口反射系数
图6 8路合成器输入端口反射系数
图7 8路合成器插损
图8 通道间相位差
最后8路合成器输出端口反射系数如图5所示，在工作带宽1.2GHz-1.4GHz，输出端口反射系数S11<-25dB。
由图6可知，工作带宽1.2GHz-1.4GHz内，输入端口反射系数小于-20dB，一般当输出端口接的负载驻波小于2时，功放仍然能正常工作。此指标保证了当有功放损坏时，不会导致其他完好功放也损坏。
由图7、图8可知插损平均为-9.33dB，幅度不一致性
4.总结
本文应用并馈结构和Wilkinson功分器实现8路合成，保证相位和幅度的一致性。由于不加匹配时，8路合成器带宽窄，达不到指标要求，本文通过在第三级和第二级Wilkinson功分器之间加入匹配电路保证工作频带内输出端口反射系数较小，极大改善了因反射导致的插损，提高了合成效率，设计了一款性能良好的8路合成器。
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作者简介：
汪灏（1987―），男，浙江衢州人，硕士，助理工程师，现供职于西安电子工程研究所，研究方向：固态发射机技术。
关键词：NANDFlash，多通道流水线，大容量高速
1. 引言
本文的项目背景是企业一个大容量半导体闪存控制器的预研方案，而如何扩大容量，提高闪存存储速度是研究中的一个重要部分。以半导体作为记忆载体Flash芯片，比传统的磁存储设备更能承受温度的变化、机械的振动和冲击，可靠性更高，易于实现高速度、低功耗和小型化，日趋成为存储器的主流。它分为NOR 和NAND两种类型。与NOR型相比，NAND型具有存储密度更高、功耗更低、芯片引脚兼容性更好和成本效益更高等优点，在计算机及多媒体消费类电子产品中得到广泛应用。而现在单个NAND Flash芯片的存储容量比较小，读写速度也比较慢，因此，开发出高速、大容量的存储系统就显得尤为重要。本文将从NAND Flash的结构特性出发，对扩大闪存容量，提高存储技术进行探讨。由于NAND Flash有多个生产厂商，产品之间有一些差异，本文采用现在市面上流行的三星K9K8G08U0M[1]高密度NAND Flash 存储芯片，这样研究就有了很好的现实意义及实用价值。
2. K9K8G08U0M型NAND Flash芯片内部组成
图1 K9K8G08U0M芯片内部逻辑结构图
3. 扩展容量--多通道高带宽Flash存储阵列
图2 存储阵列组织结构示意图
4 提高存储速度方法探讨
4.1 并行总线及并行分路技术[4]
并行总线技术亦称拓宽总线技术，也即上节所提到的位扩展技术，即通过拓宽数据总线的宽度实现数据宏观上的并行操作。免费论文。比如, 由4块8bit数据总线的芯片组成一个32 bit宽的存储模块, 它们共用相同的控制信号, 包括片选信号、读写信号、地址信号等。免费论文。存储模块总是被看作一个整体而进行相同的操作, 只是数据加载的时候是不同的数据。这样，数据量将是使用一块芯片时的4倍, 所以理论上速度也将是非并行时的4倍。时分多路复用通信，是指各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信，具体说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。借鉴时分多路复用通信技术, 可以将输入存储系统的高速数据流看作是以传输一个字所需的时间为一个时间片, 不同的时间片传输不同数据的时分多路数据复用。这也是下面要详细说明流水线技术的基本原理。
4.2 多通道流水线技术
流水线技术是一种非常经济、对提高处理机的运算速度非常有效的技术，它依据的是时间并行性。存储系统采用流水处理技术有两个前提条件：首先，在前一个I/O命令没有完全结束之前，系统能获取下一个I/O命令的有关信息；其次，不同部件应能同时操作，资源不发生冲突。由NAND Flash的写时序图分析可得，NAND Flash写入操作可分为3个步骤[3] ：首先，加载操作，即完成命令、地址和数据的载入工作；其次，自动编程操作，即由闪存芯片自动完成编程操作，将载入到页寄存器的数据写到内部存储单元的；最后，检测操作，即在自动编程结束后检测写入的数据是否正确。如果不正确，需要重新编程；如果正确，继续下一步的操作。
在写入自动编程命令后，NAND Flash提供专门的R /B#输出信号变低，指明当前正在进行内部编程操作，进入自动编程状态后的典型时间为700μs，远远超过前面的加载操作部分，当自编程操作完成后，R /B #变高，因此，对NAND Flash的操作满足流水线要求，可对写操作采取流水操作。免费论文。而用几级流水才能使得系统能够最高效的运行，下面来进行分析：
图3 存储器写操作流水方式
采用八级流水后的写速度计算[3] ,写入速度=（1页数据量×并行操作芯片数量×流水级数）/（加载时间×流水级数+自编程时间+检测时间），可得理论写速度为45MB / s。
5 总结
NAND Flash存储密度大，功耗小，可靠性高，体积小重量轻且成本也在不断降低，今后拥有非常广阔的市场。本文主要从芯片自身的结构特性出发，从硬件的角度采用位扩展、并行总线、及流水线技术对提高NAND Flash存储容量和速度进行了探讨。同时在提高闪存容量的速度方面的探讨还可以涉及到Flash纠错算法（ECC），地址映射表[4]，Flash文件系统优化算法等等，这些都有待在今后的工作中进行研究。
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