对雪崩等重力质量运动的雷达测量对于科学流动观测、实时探测和监测越来越重要。 能见度的独立性是快速可靠地探测这些事件的主要优势，而可实现的高分辨率成像被证明对于科学测量完整的流动演化非常宝贵。现有的雷达系统要么是为低分辨率的检测而制造的，要么是大型设备并永久安装在试验场。研究人员提出了mGEODAR，一个移动的FMCW（频率调制连续波）雷达系统，用于高分辨率的测量和低分辨率的引力质量运动检测和监测目的，由于一个多功能的频率生成方案。  研究人员通过环形电缆测量优化了不同频率设置的性能，并以汽车作为移动点源的数据展示了自由空间范围的灵敏度。

 相关论文以题为“     mGEODAR—A Mobile Radar System for Detection and Monitoring of Gravitational Mass-Movements    ”于2020年11月09日发表在《     Sensors    》上。

 引力运动是对山区基础设施，居民和游客的主要危害。 特别是对于雪崩，当局通过临时或技术性的缓解措施来处理这一危险，例如定时关闭道路和滑雪场，或通过长期的缓解措施（如水坝和通道）来保护基础设施。然而，实时检测雪崩的优势在于，它可以只在需要的时候实施安全措施，例如，当检测到上方山体侧面出现雪崩等大规模运动时，可以利用交通灯关闭道路。  目前，这种实时检测采用的是靠近雪崩流的地震传感器或次声波传感器，或者是能够从对峙距离观察雪崩路径的雷达技术。

 最早的雪崩雷达为连续波型，利用多普勒效应测量速度，通过将狭窄的波束指向斜坡的某些位置，实现了较高的空间分辨率。 现代的雪崩探测雷达也是利用多普勒效应，此外，它们还发送脉冲，通过飞行时间分析来估计距离。这些脉冲-多普勒雷达的测距分辨率可以达到10 m级，在这些测距门内可以测量到100 m/s的完整速度谱。虽然这种脉冲多普勒雷达对运动检测很有效，但缺乏较高的空间分辨率，限制了其在流动动力学详细科学研究中的应用。

 雷达硬件

图1显示了mGEODAR硬件的概况。信号产生链中的一个关键部件是发射机板上的DDS（AD9914，编号1），它的时钟频率为fs=3.48GHz，采用可变振荡器（AD4351，编号2）。DDS将该时钟信号除以24，并允许整数运算进行所有的频率计算。DDS产生一个线性频率斜坡，以下称为啁啾信号。啁啾信号包含从0到fs/2的基频，但也包含额外的高阶谐波，称为Nyquist-images。用一个带通滤波器（图2A）来选择图像，在第一幅图像的中心频率约为2.4 GHz时，给出所需的400 MHz带宽的频率斜坡fch。该啁啾信号fch用本地振荡器flo(ADF5355，编号3)进行上变频，得到所需的发射频率ftx为10.2 GHz至10.6 GHz(图1，注释C)。

 图1. MGEODAR雷达高频部件、数据采集和控制装置的硬件示意图。

雷达mGEODAR的硬件原理图，包括高频元件、数据采集和控制装置。三块印刷电路板（PCB）板承载着雷达硬件。右上角为发射板，左下角为接收板，中间为控制高频元件的接口板。数据采集、存储和处理设备显示在最左边。信号发生器和振荡器被列举出来（编号为1-3）。用浅灰色的方框和字母（注释A-C）表示具有相同频率的区域。图2画出了这些方框中所有滤波器的频率响应。

 图2.mGEODAR中高频滤波器的插入损耗频率响应。

mGEODAR中高频滤波器的插入损耗频率响应。每个子图给出了在图1中注释框（A-C）的频率区域使用的过滤器。粉红色区域表示优化系统的频率范围。注意，线图是针对单个滤波器的，它们是级联的，因此它们的响应会相应地累积起来。

 具有 37 dB 增益的功率放大器 (AM31-10.2-10.7-37-37) 位于发射板和发射天线之间。 为了使辐射模式集中向雪崩轨道，天线规格选择了较窄的方位角和较宽的仰角。两根增益为15dB的扇形天线(Cobham公司的SA15-90-104V-D1)用于发射和接收。它们的波束宽度约为85∘方位角和7∘仰角，但研究人员将天线安装在90∘旋转的位置上，以捕获完整的垂直切片流路。

 基带滤波器

 FMCW雷达的一大优点是可以通过基带频率的有源滤波来实现范围增益控制。 降频信号上的基带滤波器主要有三个功能。首先是抑制来自较高频率的混叠。第二，去除发射天线和接收天线之间直接耦合的任何极低频内容。第三确保信号强度的范围补偿，因为它通常随着目标范围r的r-3而下降。

 需要注意的是，对于上述采集系统，使用该滤波器不能很好地实现抑制别名的第一个目的。 但是，通过对雷达进行合理的几何布置，并在ADC前增加一个简单的低通滤波器，就可以规避这个问题。通常情况下，质量移动雷达安装在谷底，发射/接收天线指向山峰的释放区。山峰之外通常是自由空间，没有感兴趣的目标。因此，雷达与山峰之间的视线距离必须小于最大的无误距离。

 基带滤波器采用四级有源带通滤波器。峰值增益频率约为430 kHz或1600米范围。 每级的可变增益设置允许数字选择13 dB至57 dB的有源增益。每级都有不同的频率响应，级联实现了很强的dB/10滚降。图3给出了mGEODAR中基带滤波器的模拟响应，左图为低增益响应（A），右图为高增益响应（B）。

 图3. mGEODAR中4级有源基带滤波器在低增益（左A）和高增益（右B）设置下的振幅响应，黑色。第1级和第2级定义了带通形状，第3级和第4级对高频造成强烈的滚落。高增益设置下的零点交叉点在20米处，最大通带范围大致在800米至3000米之间。

 结论

 研究人员介绍了一个定制的移动式FMCW雷达系统的硬件，其目的是探测、监测和测量雪崩等重力驱动的地球物理质量运动。 研究人员预计，今后将采用非常类似的雷达来监测其他自然质量运动，如碎片流、岩石坠落，以及火山侧翼非常罕见的火成岩密度流。然而，这种质量运动探测雷达的发展绝对受益于雪崩研究，因为这些流动可以被手动触发，并且在整个冬季发生的频率比较高。因此，硬件、软件设置和实时处理算法可以更容易地开发出雪崩，并在以后采用，以匹配其他提到的流动类型，这些流动是零星的自然事件，通常在时间和空间上表现出复杂的瞬态特征。事实上，在范围时间数据上的特征识别算法还需要更多的研究，以区分大规模运动事件和其他移动目标，如视野中摇摆的树木。

 对于不同的测量位置，在快速响应不断变化的气候和雪地条件下，所提出的优化程序将被证明是有用的，可以快速找到任何新测量位置的最佳频率设置。 研究人员看到该程序的一个主要优势，基本上扫过硬件的全部有效频率，而不需要额外的敏感实验室设备。仅仅采用雷达硬件和模数转换器的能力，就能确保在每个位置都能最佳地考虑到完整的信号链、布线和天线方向以及潜在的外部噪声源。

 尽管到目前为止还没有记录到自然雪崩，但所提出的非分布式移动目标的测试和结果是有希望的，然而，还需要对真实事件进行进一步评估。 在未来，数据采集和处理将进一步优化计算速度和效率。下一步，将采用FPGA技术开发基于硬件的FMCW处理，而不是基于软件的离线处理，因为后者需要相当的计算能力和能耗。除了雷达的灵活使用情况外，所有mGEODAR硬件组件的总体成本约为10千欧元，将促进雷达技术在各学科的质量运动和一般环境监测、探测和测量中的广泛使用，并作为基于卫星的雷达遥感雪层特性等的地面实况调查。