（信号与信息处理专业论文）fmcw探地雷达信号发生器及其回波处理方法研究.pdf

摘要 f m c w 探地雷达信号发生器及其回波处理 方法研究 作者简介：倪秀胜，男，1 9 8 1 年8 月出生，2 0 0 4 年9 月师从于成都理工大学王 绪本教授，于2 0 0 7 年6 月获硕士学位。 摘要 随着对地下物体或状况探测以及对建筑物质量检测和维护等地质勘探工作 的增加，探地雷达技术的应用越来越广。因此如何能够提高雷达探测的快速性、 准确性显得尤为重要。 本论文从f m c w 探地雷达系统原理及其特性入手，分析了f m c w 探地雷达 目e 存在的一些问题；论文通过对f m c w 探地雷达信号源波形的分析与研究， 仿真实现了f m c w 探地雷达信号源波形的d d s 技术合成；在对现有的f m c w 探地雷达回波处理技术分析的基础上，为了解决其运算量和多目标识别问题，提 出了解决方案，并以仿真的方式验证了所提解决方案的有效性、准确性。 本论文完成的主要工作有： 1 d d s 技术作为新一代数字频率合成技术，具有精确的相位、频率分辨率， 快速的转换时间等突出优点。本文首先对d d s 工作原理、输出信号频 谱及其杂散分布规律进行了分析，最后使用d d s 合成技术仿真合成了 f m c w 探地雷达信号源波形。 2 基于f f t 技术的f m c w 探地雷达回波处理方法，由于f f t 的“栅栏效 应”，使得直接采用f f t 所获得的距离谱具有固定的采样间隔r ，从而 产生a r 2 的误差范围，这使得f m c w 探地雷达在近距离下测量的相对 误差较大。针对常规f f t 处理方法局部采样分辨率与运算量存在的矛 盾，提出并仿真实现了使用f f t + c h l r p - z 复合处理方法对f m c w 探地 雷达回波信号进行处理。 3 由于f f t 方法在探测多目标方面的局限性，提出使用m u s i c 算法来处 理回波信号，使得在探测环境存在多个目标存在的情况下，也能对其进 行很好的分辨。 关键字：探地雷达，调频连续波，多重信号分类，直接数字频率合成 成都理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho ff m c wg r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r s i g n a lg e n e r a t o r a n di t s e c h op r o c e s s i n g a b s t r a c t w i t hr a p i d l yi n c r e a s er e q u i r e m e n to fd e t e c t i n gt a r g e t sb u r i e du n d e rt h eg r o u n d a n dm a i n t e n a n c eo f s t r u c t u r e ，w h i c hh a sm a d ew i d ea p p l i c a t i o no f g r o u n dp e n e t r a t i n g r a d a r ( g p r ) i th a sb e c o m es oi m p o r t a n tt oe x a l tt h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo f g p r t oi d e n t 毋h i d d e nt a r g e t sa n de v a l u a t et h e i rl o c a t i o nu n d e rt h eg r o u n da c c o r d i n g l y t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h ed i s c i p l i n ea n dp l a y s i c a lc h a r a c t e ro ff r e q u e n c y m o d u l a t e dc o n t i n u o u sw a v e ( f m c w ) g p rf i r s t l y , t h e n , a n a l y z e si s s u e s e x i s t si n m o d e r nf m c wr a d a re x p l o r a t i o n s o m es c h e m e sa r ep u tf o r w a r dt os o l v et h ei s s u e s i nt h ep a p e r b yi n v e s t i g a t i o ni n t ot h eo r i g i n a lw a v e f o r mo ff m c wt r a d i t i o n a la n d m o d e r n i s t i cs i g n a l , c o m p l e t et h ec o m b i n a t i o no f d d sa n df m c wo r i g i n a lw a v e f o r m f m c wr a d a r sw a v ei ss y n t h e s i z e di nv i r t u eo f c o m p u t e rs i m u l a t i o n t o wa l g o r i t h m s a r eb r o u g h tf o r w a r dt os e t t l et h ei s s u e sw h i c he x i s t e di nf m c wg p r t h ep r i m a r yw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o n ： i a st h en e wd i g i t a lc o m b i n a t i o nt e c h n o l o g y , d d sh a si t so w na d v a n t a g e t w o p r i m a r yt e c h n i q u e s ( a n a l o gt e c h n i q u ea n dd i g i t a lt e c h n i q u e ) w h i c ha r eu s u a l l y u s e dt o g e n e r a t er a d a r s s o u r c ea r ea n a l y z e d a san e wd i g i t a lf r e q u e n c y c o m b i n a t i o nt e c h n o l o g y , d d sh a si t so w na d v a n t a g e t h i sp a p e re l a b o r a t e st h e p r i n c i p l eo f d d s a sw e l la si t sd i s t r i b u t i o nf r e q u e n c ys p e c t r a l a tl a s t ，t h es o u r c e i sg e n e r a t e di ns i m u l a t i o na n dt h ew a v e w a sp u r i f y i n g 2 t r a d i t i o n a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ew h i c ha p p l i e st h ef f ta l g o r i t h mt o p r o c e s s i n gr e c e i v e dw a v eh a sc i r c u m s c r i b e r t h em a i n l yc o n t r a d i c t i o ni sb e t w e e n d e t e c t i n ga c c u r a c ya n do p e r a t i o nc a p a c i t y i f ah i g h e rl e v e lp r e c i s i o nw a sr e q u i r e d ， m o r eo p e r a t i o nw i l lb en e c e s s a r yw h i c h w o u l dc o n s u m em o r et i m e a c c o r d i n g l y , ac o m b i n a t i o na l g o r i t h m ( f f t + c h 卸z ) s u c c e s s f u l l yi m p l e m e n th i g ha c c u r a c y a tc o s to f al i t t l ei n c r e a s eo f o p e r a t i o nt i m e 3 o na c c o u n to ft h el i m i t a t i o no ff f l rt e c h n i q u ei nm u l t i o b j e c t si d e n t i f y i n g 摘要 m u s i ca l g o r i t h mi sp u tf o r w a r dt oi m p r o v et h el i m i t a t i o n t h ea l g o r i t h mh a s e x c e l l e n tp e l r f o r m a n c ei ni d e n t i f y i n gm u l t i - o b j e c tw h i c hh a v eb e e np r o v e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n k e y w o r d s ：g p r , f m c w ：m u s i c ，d d s 儿i 独创- 眭声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡至盍堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签 学位论文作者签名： 、 多种年毛月2 1 日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛赶堡王盍茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 易7 年名月l 日 i 第1 章引言 第1 章引言 1 1 本课题的国内外研究现状及分析 1 1 1 探地雷达发展概述 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，g p r ) 是一项发展迅速有效的探测地 下结构和埋设物的新型无损探测设备，与电阻率法、低频感应法及地震法等常 规地下无损探测方法相比，探地雷达具有探测速度快、探测过程连续、分辨率 高、操作方便灵活、探测费用低等特点。尤其在地下目标的厚度、埋地物体的 定位、深度和范围测量方面效果良好。特别是近年来随着电子技术、信号处理 技术以及计算机应用技术的迅速发展，探地雷达得到了不断更新和发展，其应 用领域也不断扩大【“。 根据雷达信号源调制方式的不同，探地雷达主要有三种体制：连续波雷达、 调频连续波雷达和冲击雷达。早期的探地雷达主要采用连续波雷达，但由于其 存在频率单一、频带窄、雷达所包含的目标信息有限等根本性的缺点而被后两 种体制取代。 1 9 0 4 年德国人h u l s m e y e r 首次采用电磁信号探测地下的金属目标。1 9 1 0 年，德国人l e i m b a c h 和l o w y 在他们的专利中描述了利用电磁信号对地下目 标进行定位的应用。1 9 2 6 年h u l s e n b e c k 在其研究工作中采用了脉冲技术来确 定地下埋设物的结构特征，他注意到，不仅仅是电导率，任何介电特性的变化 都将造成电磁波的反射。他的发现首次确定了地下电磁波回波信号与地下介质 及目标间的本质联系，从而为探地雷达在技术和方法上提供了优于其它地球物 理探测方法的理论依据。s t e r n 在1 9 2 9 年进行了探地雷达的首次应用采用 无线电干涉法探测冰川厚度。1 9 6 0 年j c c o o k 提出了冲击脉冲雷达方案：向 地下发射无载波的窄脉冲，由于脉冲宽度仅为几纳秒，所以脉冲具有很宽的频 带。这样，既可以获得足够的探测分辨率，又可以达到减小地下有耗介质吸收 的效果，从而保证了对穿透深度的要求。此后，b a r r i n g e r 和m e y e r 的实验进一 步验证了c o o k 方案的可行性和正确性。但由于地下介质较强的电磁衰减特性 和地质情况的复杂性、多样性，电磁波在地下介质中的传播比在空气中要复杂 的多，所以当时，它仅限于研究介质相对均匀、对电磁波吸收很弱的地质环境， 如极地冰层、淡水湖泊、沙漠及岩赫等介质【2 】。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着高速脉冲形成技术、取样接收技术及计算机技 术的应用发展，探地雷达的应用领域逐渐扩展并渗透到其他部门中。如工程地 质探测( 1 9 7 4 年r m m o r e y ：1 9 7 6 年a e a n n a n 和j l d a r i s 等) 、煤、矿井探 成都理工大学硕士学位论文 测( 1 9 7 5 年j c c c o o k ) 、泥炭调查( 1 9 8 2 年c p e u i r i k s e n ) 、放射性废物调 查( 1 9 8 2 年d l w r i g h t ) ，以及地质构造填图、水文地质调查、地基和道路下 空洞和裂缝调查、掩埋物探测和水坝、隧道、古墓遗迹探察、环境污染调查等。 美、日、加等国都相继开发出了自己的产品，我国也在近年开发出了一系列探 地雷达仪器。目前已推出了多种功能强大的商用探地雷达，如美国地球物理探 测设备公司( g s s i ) 的s i r 系列，加拿大探头及软件公司( s s i ) 的p u l s ee k k o 系列，日本应用地质株式会社( o y 0 ) 的g e o r a d a r 系列，瑞典地质公司 ( s g a b ) 的r a m a c 钻孔雷达系统等。这些探地雷达使用的中心频率在 1 肚1 0 0 0 m h z 范围，探测深度最多可达5 0 多米，分辨率达厘米级。 我国从8 0 年代中期开始进行探地雷达技术的研究和实验，最初由航天部 2 5 所用于军事地雷的探测。1 9 8 3 年由铁道部引进了第一台探地雷达s i r 8 ，经 过十几年的研制攻关，在雷达硬件设备、目标信号提取、目标识别、目标成像 等方面取得重大进展和突破，特别是成功地实现了对地下目标的三维层析成 像，大大提高了分辨率和清晰度。近年来，中国电波研究所成功研制出了l t d 系列探地雷达。中国地质大学的李大心、长沙交通学院的郭云开等人也相继开 展应用探地雷达的研究工作。目前，在我国应用的主要探地雷达设备有：1 、 美国地球物理探测设备公司( g s s i ) 的s i r 系列雷达；2 、加拿大探头及软件 公司的e k k o 系列雷达；3 、瑞典m a l a 公司的r a m a c g p r 地质雷达；4 、 中国电波研究所的l t d 系列探地雷达等 3 1 1 4 1 。 与其他地球物理方法相比，探地雷达具有下列优势： 1 高分辨率，工作频率在l m h z m g h z 之间，分辨率可高达厘米级； 2 无损性： 3 高效率，设备轻便，操作简单，从数据采集到图像处理实现一体化， 可实时输出现场记录图； 4 抗干扰能力强，可在各种噪声环境下工作。 1 1 2 超宽带雷达 在雷达的发展过程中，设计师遇到了发射机峰值功率受限、需要对目标进 行成像分析和识别等问题，为此研究人员基于匹配滤波器理论提出了线性调频 ( l f m ) 脉冲压缩的概念。w o o d w a r d 关于模糊函数理论的提出，从理论上分 析了雷达分辨能力与信号形式的内在关系，完善了脉冲压缩的设计思想，使人 们认识到大时宽积信号经过匹配滤波可以获得具有高分辨能力的窄脉冲，从而 为脉冲压缩信号产生及处理技术的深入发展起到了积极的推动作用。研究表 明，大时宽积信号可以通过在脉内附加调频和相位编码的方式产生，其中以线 2 第1 章引言 性调频( l f m ) 和二相编码信号的研究与应用最为广泛。近年来，随着数字技 术和d s p 技术被应用于脉冲压缩信号的产生与处理过程，对非线性n l f m 及 t a y l o r 四相码、p 3 、p 4 码等多种相位编码信号的研究也较成熟，正经历着从实 验研究到应用研究的过程。 匹配滤波是脉冲压缩处理的基础，即雷达回波信号与系统产生信号的自相 关过程。脉冲压缩信号经匹配压缩后的输出信号中，除了期望的主窄脉冲外还 存在大小不一的若干距离旁瓣。在多目标环境中，强回波的输出旁瓣很可能掩 盖或混淆弱信号的主瓣，从而降低了雷达对多个微弱信号的检测能力，因此需 要通过额外的技术手段来抑制或降低压缩输出信号的旁瓣电平是一项重要内 容。 对大时带积信号的深入研究和应用，逐步形成了超宽带( u l t r a 7 i d eb a n d ， u w b ) 雷达这一新的雷达技术领域。 若石，五( 1 0 d b 带宽) 分别表示整个信号能量分布频率范围的上、下限， 则定义分数宽带( f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 为： b ，：! 蜴= 盟 ( 1 1 ) i h f i d a r p a ( t h ed e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 专家组在1 9 9 0 年提出了这种定义：任何一种雷达信号，不论其中心频率或时带积如何，只要 其分数带宽大于2 5 ，就称这种雷达系统为超宽带雷达( u 、br a d a r ) 。 按照上述定义，从信号相对带宽的角度可以对雷达系统分类，一般把分数 带宽小于l 的称为窄带雷达( n a r r o wb a n d ) ；分数带宽在1 2 5 的称为宽带 雷达( w i d e b a n d ) ；分数宽带大于2 5 的称为超宽带雷达( u w b ) 。在目前技 术条件下，u w b 雷达信号波形主要有两类，一是极窄的冲击脉冲，这种信号 的瞬时分数带宽满足大于2 5 的条件，使用这种信号的雷达系统简称为冲激雷 达。另一类即具有脉内调制的大时带积脉冲压缩信号，这种信号可控制获得大 于2 5 的分数带宽。 u w b 雷达具有良好的空间分辨能力，使其在目标成像和背景杂波中目标 的识别方面具有巨大的潜力。这在大地绘测、矿藏探测、农业普查、考古等方 面有着广泛的应用前景。对具有大信号宽带的u w b 雷达，因为反射回波信号 中被调制的信息是由目标的形状结构和材料电子特性等多种因素决定的，因而 其回波信号携带了有关目标的很多信息，通过识别回波中特定的谐振特性或采 用现代信号分析方法提取目标特性参数，即可在实现目标检测的同时完成对目 标特征的提取，从而实现对目标的有效识别。 现代雷达已不单是完成对目标位置、速度等信息的提取，而且要求对目标 进行成像分析和识别。很显然，为了获得高的距离分辨率和( 或) 激励出目标 成都理工大学硕士学位论文 的其它特征，这要求雷达发射的信号具有大带宽。因此，超宽带雷达有着诱人 的发展前景，同时由于u w b 雷达信号具有很大的信号带宽，尤其是冲激式 u w b 雷达，对其信号的分析设计、产生、传播、处理都与以往常规雷达系统 有较大不同，因而也还有许多技术问题有待深入研究。如u w b 信号分析与波 形设计和产生技术，适合u w b 信号的天线及收发系统的调制、u w b 雷达信 号的传播与能量转移特性的研究、目标信号特征提取的现代信号分析技术及其 在高分辨技术中的应用等等。总之，超宽带雷达技术的研究与应用方兴未艾， 有着大量的研究工作有待雷达研究工作者做出不懈地努力和深入地探索。 1 1 3 调频连续波雷达 线性调频连续波( f m c w ) 雷达是一种通过对连续波调制来获取信息的技 术，可以通过控制f m c w 探地雷达信号发生器产生宽带甚至超宽带雷达信号。 它具有高距离分辨率、低发射功率、高接收灵敏度、结构简单等优点，不存在 距离盲区，具有比脉冲雷达更好的抗背景杂波和抗干扰能力等特点，特别适用 于近距离应用，近年来在军事和民用方面得到了较快的发展。 这项技术有着悠久的历史，但是在过去很长的一段时间内其应用限制在很 小的范围内，有关线性调频连续波雷达的理论一直没有受到重视。 从七十年代后期开始，国内外研究学者们对线性调频连续波雷达的一系列 关键技术进行了深入而广泛的研究，其热点集中在高线性度大时宽积线性调频 连续波信号的产生和动态测试方面；直到八十年代中期，关于f m c w 体制雷 达的有关方面的研究工作得到普遍重视。如荷兰t e c h n i s h eh o g e s c h o o ld e i l i 的 l e l i g t h a r t 等人在用线性调频连续波雷达进行气象观测的实验中，才对线性调 频连续波雷达的理论问题进行恶劣分析，对线性调频连续波信号的模糊函数、 分辨率、接收机灵敏度以及线性调频连续波雷达的特点进行了初步分析；同时， 美国的r b c h a d w i c k 等人对线性调频连续波雷达中的旁瓣效应和距离速度耦 合引起的距离串扰问题进行了研究。加之硬件水平的进步，f m c w 雷达的理 论和技术水平得到迅速提高，其应用也已扩展到军用和民用的各个领域。 国内的研究主要从八十末期开始，由电子科技大学对线性调频连续波雷达 的模糊函数、接收机性能、等效正交双通道等理论问题以及高线性度大时宽带 积线性调频连续波信号产生技术、距离分段处理技术、线性度测试等关键技术 也做了深入研究。目前电子科技大学已经自行制作出多台f m c w 科学实验雷 达用作进一步的研究。 4 第1 章引言 1 2 本课题的研究意义 近年来，随着城市化进程的加快，城市的高层建筑日趋增多，钢筋混凝土 结构占主导地位，各种管道、线路纵横交错密度加大，以及城市人口密集等问 题，使自然或人为灾害等各类突发事件的潜在危险与日俱增，一旦发生，将有 可能造成人民生命财产的巨大损失。如何最大限度地减轻各类灾害损失，抢救 被压、埋人员，有效地减少人员伤亡，是减轻灾害损失的首要任务，也是最能 体现出减灾实效和社会显示度的关键环节。比如，国内外多次大震后抢救生命 的事实证明，对压埋人员抢救愈及时、快速、救生、救活的可能性愈大。一般 来说，震后7 2 小时内是救助被困人员的关键时期。再比如，类似“9 1 1 ”事件 的恐怖灾害复杂情况实时救助问题，以及对劫持人质隐蔽位置的确定等都对当 今生命搜索与定位技术提出了更高的要求。因此，为确保在紧急救援中用最短 的时间找到被困人员，开展先进的生命救助探测与定位方法研究具有十分重要 的意义。 从原理上讲，电磁探测方法应该是弥补人工搜索、光学设备观察、红外 热成像、声波、振动探测设备、搜索犬等的有效方法，但是，电磁探测方法主 要问题是探测深度( 或穿透深度) 与分辨率是矛盾的，即高频电磁有较高的分 辨率，但衰减快，探测深度较小；低频电磁场具有较大的探测深度，但分辨率 不高。因此利用宽带、超宽带技术来进行生命救助具有十分广阔的社会和经济 效益。 利用调频连续波雷达的宽带特性，对灾区实行无损探测，能及时发现并解 救被困人员，可以大大节约救援时间，提高救援效果，有着显著的经济和社会 效益。本课题的研究成果，还可用于考古、地下管道、地下电缆及各种无损探 测等，具有非常广阔的应用前景和社会、经济效益。 1 3 本文的主要研究工作 本文在分析了u w bf m c w 探地雷达的工作机理的基础上，完成了对 f m c w 探地雷达信号发生器的仿真实现及其回波信号处理方法的改进两个方 面的工作，主要的研究工作有以下几点： 1 首先阐述探地雷达的工作原理，系统的介绍了f m c w 雷达。分析了传 统f m c w 雷达信号源的产生机制，讲述了以d d s 为基础的新一代f m c w 信 号源合成技术。建立d d s 的理想和杂散仿真模型，有效地分析了d d s 杂散分 布特点。最后，给出了f m c w 雷达信号源设计方案，并给出仿真结果。 2 分析f m c w 雷达回波信号。基于经典信号处理技术f f t ，可以定位单 成都理工大学硕士学位论文 目标信号，但是若想获得更高精度，必须增加运算量，但是由于其运算量按指 数规律递增，因此文中提出采用f f t + c h i r pz 的复合处理技术，其能有效地解 决运算量与探测精度之间的矛盾。 3 但是f f t 和改进的f f t + c h i r pz 方法只是针对单个点目标的，在存在 多个目标的复杂环境中，其就不能取得满意的结果。因此，在分析了f m c w 雷达信号回波处理机制的基础上，提出了使用m u s i c 算法来获取复杂背景下 的多目标特性，给出了仿真结果。 6 第2 章探地雷达系统及其工作原理 第2 章探地雷达系统及其工作原理 探地雷达系统是穿过介质对其中的目标进行探测的。在地表上用一束平面电 磁波照射待测地层时，地层中介电特性的不均匀性将引起反射，根据在地表测得 的反射波数据来重构待测地层的状况，这类课题称为电磁逆散射。在工程上，利 用雷达的定位和测距能力，将逆散射问题简化处理，研制出了探地雷达。 2 1 探地雷达工作原理 探地雷达利用电磁波对地表的穿透能力，利用高频电磁波以短脉冲形式从地 表自上而下地发射电磁波。探地雷达工作时，通常产生周期性的信号，并直接馈 给发射天线，振源产生的雷达频率一般在i o m h z - g h z 之间，兼具较强穿透能力 和一定的探测深度。如图2 1 所示，经由发射天线耦合到地下的信号在传播路径 上遇到任何电特性( 介电常数，磁导率和导电率) 的不连续都会引起电磁波的逆 散射。在实际应用中，基本上都是介电常数的不连续导致电磁波的反射。这是因 为土壤通常都是非磁化材料，所以近似认为其磁导率和自由空间的磁导率相等。 电磁波在传播过程中，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电特性及几 何形态的变化而产生不同程度的变化。位于地表上的接收天线在接收到地下回波 后，直接传输到接收机，信号在接收机经过采样、整形和放大后，传输给雷达主 机，经处理，再传输到计算机中。在计算机中，根据回波信号的时延、形状及频 谱特性等参数，解读出目标深度、介质结构等性质。 图2 - 1 探地雷达基本原理框图 探地雷达是根据接收到的雷达回波特征识别地下介质的性质，因此，能否获 得可分辨的探地雷达回波是影响探地雷达应用效果的关键因素，它取决于发射雷 达波的强度、探地雷达仪器的分辨能力、波在地质界面上的反射特性以及波在地 下介质中行进时的衰减情况。而雷达波的强度以及探地雷达仪器的分辨能力则由 探地雷达仪器本身决定。 成都理工大学硕士学位论文 。探地雷达波是高频电磁波，其传播可近似为平面波，在地质界面上的反射系 数r 可表示为 ，：坠二型 ( 2 1 1 ( 二2 + 毛) 。 式中，为反射系数，五为晃面上层介质的波阻抗，厶为界面下层介质的波阻 抗。其定义为 ( 2 2 ) 其中_ ，= 一1 ，w = 2 n f 为角频率，p 为导磁率，为介质的介电常数，仃为 介质的电导率( 下同) 。由于探地雷达频率高，有仃 1 ，s ，因此反射系数可简 化为 r ：华。咎 ( 2 3 ) ，l + 8 r 2 式中，s ，为介质1 的相对介电常数，s ，：为介质2 的相对介电常数，如图2 2 所示。反射系数反映了反射能量占入射能量的比率，取决于界面上下介质的介电 系数差异。即探测目标体与周围介质的介电系数差异是探地雷达应用的前提，其 差异的大小影响探测效果。 图2 2 电磁波在分层媒介中的传播 探地雷达具有仪器便携、无损探测、可重复探测等优点。分辨两侧介电特性 差异较大的界面是其主要的应用基础，适宜于在一定范围内( 主要指普通介质的 浅层) 、对精度有一定要求的界面识别，且外界干扰尤其是电磁干扰较小。如地 质构造测绘填图、隐蔽空洞探测、地下电缆管道定位、路面质检以及地( 水) 下 目标探测等，均适合采用探她雷达探测。 2 2 探地雷达系统组成 从探地雷达仪器的原理来进行划分，探地雷达的仪器系统可以分为时间域探 第2 章探地雷达系统及其工作原理 地雷达系统和频率域探地雷达系统。时间域探地雷达系统应用比较广泛，而且商 业产品也比较多。我国的引进仪器中，如s i r 和e k k o 系列都是时间域的探地 雷达系统。时间域的系统主要优点是野外测量中结果直观。 2 2 1 时间域探地雷达 时间域探地雷达是将电磁波脉冲通过天线一次性地发射出去，并采用宽带的 接收器接收电磁脉冲的回波信号，在目前的商业探地雷达系统中占主导地位。时 间域探地雷达系统框图如图2 3 所示。 甲 取样脉冲 畸置触划 发生器 时变放大l 数据采集l l l f i 发射脉冲源l 取样门卜 + l 保持、放大ll 图象显示l 俘颦擘熟 数据采集与 放大电路处理系统 发射天线接收天线 发射电路 接收电路 图2 - 3 时间域脉冲探地雷达系统框图 发射电路发射冲击脉冲，主要是脉冲宽度和幅度两个指标。实际中，还应考 虑脉冲的形式，是单极脉冲还是双极脉冲。脉冲的宽度关系到工作频带，脉冲幅 度关系到系统探测深度。 目前，超宽带窄脉冲的产生方法主要通过雪崩三极管、隧道二极管或阶跃恢 复二极管实现。其中隧道二极管可以产生上升时间为几十皮秒的脉冲，但其幅度 较低，一般为豪伏级。利用雪崩三极管的雪崩效应，同时采用级联结构则可以产 生输出脉冲上升时间为2 0 0 p s ，峰峰值幅度达到3 0 v 的脉冲信号。漂移阶跃恢 复二极管( d s i ) 和三极管( d s r t ) 可以产生峰值功率达到兆瓦的纳秒冲击 脉冲，重复频率可达几百几千赫兹。这种器件高效、体积小、重量轻、可靠性 高，非常适合于探地雷达应用。 脉冲电路通过发射天线向探测区域辐射电磁波，接收电路在同步时间信号的 控制下，目标区的散射场信号被接收天线线接收，经宽带接收机和a d 转换后 产生进行可供数字信号处理的数据。对纳秒级，甚至亚纳秒级持续时间的脉冲信 号，有效频谱分量可达数f i h z 。 对于冲激脉冲信号，在给定发射机峰值功率的条件下，增加脉冲宽度可以提 9 成都理工大学硕士学位论文 高雷达的平均发射功率，提高系统的作用距离。然而脉冲宽度的增加( 接收机带 宽的减小) 会降低雷达的距离分辨率。为不影响雷达性能，需要在增加脉冲宽度 的同时保持恒定的带宽。频率域探地雷达信号就具有这一性质。 2 2 2 频率域探地雷达 频率域探地雷达主要是在频率域实现探地雷达的发射和接收，通过一系列的 信号处理，获得介质的电磁波时间域响应。其中主要的两种方法是调频连续波探 地雷达( f m c wg p r ) 、步进频率探地雷达( s t e p - f r e q u e n c yg p r ) 。 从物理机制上，时间域探地雷达和频率域探地雷达是一样的，只是信号的表 现形式不同。比较这两种探地雷达，时问域的脉冲探地雷达由于硬件实现简单， 而且测量的结果是时间域波形，结果直观，因此它在目前商业探地雷达占据统治 地位。而频率域探地雷达需要有复杂的硬件系统和信号处理，从而导致它的发展 较慢。尽管如此，计算机技术的发展和硬件技术的不断提高，将为频率域探地雷 达提供巨大的发展空间。两种探地雷达比较具体表现有以下几个方面的差异。 1 分辨率 信号的分辨率是指分辨两个反射信号的能力。对于频率域探地雷达，纵向分 辨率为v 2 b ，其中v 是电磁波速度，口是信号的带宽。而脉冲雷达的频带宽度近 似等于脉冲宽度的倒数( 1 f ) 。因而，频率域探地雷达和脉冲探地雷达的分辨 率都可以表示为a r = w 2 = v 2 b 。由此可见频率域探地雷达较脉冲雷达的优 越性是信号波形的可以控制性，既在探测能量允许的前提下，频率域地雷达可以 获得更好的分辨率和准确性。 2 穿透能力 探地雷达的穿透深度决定于系统发射的信号的能量和效率。由于频率域探地 雷达系统能对频率带宽进行软件控制，这样可以使信号的带宽与天线带宽很好地 匹配，将其发射的能量更加有效地发射到地下，并能根据待测目标的不同情况对 源信号波形进行改变。 3 振铃效应 脉冲信号的振荡衰减的快慢将直接影响探地雷达的探测，特别是弱小信号的 识别和提取。由于频率域探地雷达系统采用软件控制测量频带，同时也可以采用 窗函数来改善信号，并降低振铃效应。 因为这些特点，使得频率域探地雷达系统具有许多优越性。频率域探地雷达 是在一定的时间内将所要求的频带发射出去，并且很容易控制发送的频带，实现 窄带接收。频率域探地雷达的系统框图如图2 - 4 。 第2 章探地雷达系统及其工作原理 图2 - 4 频率域探地雷达系统简图 对浅层勘探而言，无载波冲激体制探地雷达可以通过时间窗截取技术减小直 达波和地面反射波的干扰，得到高分辨的地下区域成像结果。频率域体制探地雷 达基于其大动态范围、高辐射功率可有效的应用于有耗媒质中的目标探测。进行 系统设计时，要根据具体的应用背景和当前的技术水平，选择合适的信号形式并 充分发挥这种信号形式的优势以达到整个系统的高性能低成本。 2 3f m c w 雷达工作原理 在使用电磁波对地层进行勘探时，当频率达到g i - i z 时，土壤的衰减就会急 剧增大。因此，一般的探地雷达主要用于对近距离目标的检测，并且因为其有很 高的分辨率，所以主要应用于浅地层目标探测、墙中空洞、建筑材料的均匀性 水泥构件中钢筋是否存在、浅埋地下物体的识别定位等。在这类应用中，穿透深 度不是大问题，主要是要求设备具有高的分辨率。 为了获得更高的分辨率，就需要使用宽带雷达甚至超宽带雷达来对地下掩埋 目标进行探测。在宽带雷达方面，主要由时间域的窄脉冲雷达即冲激雷达和频率 域的f m c w 探地雷达。由上一小节知道，频率域探地雷达相对时间域探地雷达 有它的优点，因此本文以目前频率域探地雷达的主体_ f m c w 探地雷达为研 究对象。 2 3 1f m c w 雷达系统结构 应用f m c w 技术构成的雷达具有很高的分辨率，而且几乎没有距离盲区， 在各种高精度近距离探测中比其他体制雷达具有更为明显的优点；诸如防撞雷 达、末端制导雷达、远距离天波、地波雷达以及飞机高度表等都是应用f m c w 技术的杰出代表。早期的f m c w 雷达是采用平均频率记数的方式在时域上进行 处理以获取目标回波中的距离信息。这种方法结构简单、精度也较高，但要求高 的信噪比。八十年代以后，随着计算机和d s p 技术的发展，f m c w 雷达回波中 频的处理普遍采用数字信号处理的方式来获取回波中的距离谱，然后根据一定的 成都理工大学硕士学位论文 判决准则来判定目标的有无和测量目标的距离。f m c w 探地雷达系统构成图如 图2 - 5 所示。 图2 - 5f m c w 探地雷达系统框图 在f m c w 探地雷达中，早期线性调频信号的产生方法有无源法和有源法两 大类。前者使用声表面波技术的色散延迟器件，后者多采用压控振荡器产生近似 的调频连续波信号，通过控制电压进行闭环补偿以改善调频线性度。但是由于声 表面器件和压控振荡器件的性能稳定性问题，使得使用模拟技术产生的信号与理 想信号存在较大的误差。数字技术和超大规模技术电路技术的发展，使得利用数 字方法产生宽带线性调频信号成为主流。直接数字合成( d d s ) 就是一种采用数 字方法产生信号的新技术，使用d d s 技术产生宽带调频信号具有模拟方法无法 比拟的许多优点，如调频线性度高、可编程、灵活性好、稳定性好、可控性高等。 目标回波信号经前置放大后，首先与本振信号进行混频得到差频信号( 对点 目标的线性调频回波，差频信号为固定频率，即为去调频过程) ，然后采用傅立 叶变换实现时一频转换，将目标距离向信息映射到频率域。去调频的过程实质即 为匹配滤波过程，也是回波频谱在频域上的脉冲压缩过程。去调频相干接收机技 术大大简化了超宽带线性调频信号的处理，回波下变频后的系统带宽要求较低， 易于工程实现。 2 3 2f m c w 探地雷达工作原理 f m c w 探地雷达探测的基本原理是：向目标发射频率变化( 可以连续或步 进、线性或非线性变化) 的电磁波，目标的某些信息便包含在反射波中，接收反 射波，并对发射波和反射波进行匹配处理，提取所需要的测量信息。即f m c w 探地雷达发射一个载波，该载波在时问t 内从低频磊到高频彳扫描。在时间t r 后 扫描重复进行。为了便于分析。这罩设f m c w 雷达发射信号为一线性扫频信号， 一个周期内发射信号幅度归一化后为： 哪) ：c o s 2 矿( f ) f + 妒r ) o t ( 2 - 4 ) 【07 ：t 7 j 1 2 第2 章探地雷达系统及其工作原理 d f l f ( t ) = 五+ 罢，。f s l ，为扫描周期，办为发射信号的初相位， 无为调频信号的起始频率，b 为扫频带宽，扫频频率厂( f ) 随时间变化图如图2 - 6 所示，图中所示为两个周期的扫频信号( 图中数据作了归一化处理) 。图2 7 显 示的是调频率连续波信号的时间域波形。 刀 7 z 7 ， i 7 7 。髟 i l i 。z 。彳j ： ： ；土j z l r 。r r r 。li r 一 图2 - 6 发射信号源的时间一频率分析图 图2 - 调频连续波信号的时域波形 发射信号的瞬时相位可表示为 马( f ) = 2 r r f ( t ) t + 如 假设距离信号源r 处只有一个目标，则回波信号延时为 t = 2 r | v v 是信号在介质中的传播速度。 理想接收信号的瞬时相位相对发射信号只有一个f 的延时， ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 如图2 - 8 所示， 成都理工大学硕士学位论文 图中实线表示理想信号源的发射信号时频图，虚线表示理想均匀介质中目标体 回波信号时频图。 图2 - 8f m 删雷达理想信号及回波波形时一频图 因此，接收信号瞬时相位可表示为 最( ，) = b o f ) = 2 n f ( t o ( t f ) + 妒r ( 2 7 ) 将接收到的回波信号与发射信号混频，经低通滤波器滤除混频信号高频部 分，输出为差频信号，其相位为 匕( ，) = 弓( f ) 一只( ) ：2 和+ 知锄一萼, t - 2 + “一九 ( 2 。8 ) jj 忽略f 的高次项，可得 e h ( f ) = 2 力：f + 兰；- ，f 2 1 t + 妒r 一爹月 ( 2 - 9 ) 1 ， 得到差频信号频率为 d 厶( f ) = r ( 2 - l o ) j 由图2 - 8 可见，一个周期内任一时刻回波信号与其发射信号的频率之差是一 固定值，这与式( 2 1 0 ) 理论求出的结果一致。 可见差频信号的频率正比于信号延时，其频谱在该点处存在峰值，求得此峰 值，则目标距离可由下式计算得到 r ：= f m ( t ) t , v ( 2 - 11 ) 2 口 由上式可以看出，在速度和发射信号周期已知的情况下，只要求 ：导雷达回波 信号的峰值频率，即可得到目标体的距离信息。目前较为常用方法是。采用f f t 1 4 第2 章探地雷达系统及其工作原理 方法得到回波中频信号的频谱，再使用相关获取函数极值的算法，找到信号频率 峰值点，进而再根据式( 2 1 1 ) 得到目标体的距离信息。 2 3 3f m c w 雷达目前存在的问题 f m c w 探地雷达回波处理技术方法采用频域的处理方法，采用傅立时变换 计算出回波在距离轴上的功率谱( 即距离谱) ，使用这种方法可以充分利用 f m c w 雷达的高距离分辨率的特点，适用于复杂目标环境下的探测。但是当前 其在雷达信号源和回波信号处理方面还存在着如下问题： 1 由于f m c w 技术要求把回波信号和发射信号做混频处理，求差频信号，这 就要求f m c w 探地雷达其信号源有高度的线性，即要求发射信号的时间一 频率特性分析图呈线性关系，如图2 5 所示是一个理想情况下的f m c w 探地 雷达信号源。 2 因为其处理方法采用傅立叶变换，也就是在数字处理中使用f f t 技术。众所 周知，f f t 的“栅栏效应”，使得采用f f t 所获得的功率谱具有固定的采样 间隔，从而产生测量误差，这使得雷达在近距离测量时相对误差较大。 t ， 3 由于f f t 技术是针对单个目标情况下提出的处理技术，使其在处理有个探测 多个目标时，功率谱不能很好的分辨多个目标。为此，必须进一步寻找合适 的相关算法。 o 本论文所做的工作就是基于f m c w 雷达在信号源波形发生器和回波信号处 理方面存在的上述问题，在认真研究f m c w 探地雷达系统和问题产生原因后， 提出一些解决方案，并通过仿真测试，验证了所提方案的有效性和正确性。 成都理工大学硕士学位论文 第3 章f m c w 探地雷达信号发生器 由上一章的分析可知，f m c w 系统的分辨率在很大程度上取决于扫频频率 的线性度，因为雷达信号波形的非线性会引起距离旁瓣电平的增高，甚至会淹没 邻近小目标，影响了实际距离分辨率的提高。由于对测量精度的要求越来越高， 线性调频源的输出信号频率随时间的变化结果如果不是线性的，就会影响雷达系 统对邻近目标的分辨。理想的线性调频信号，其频率随时间的变化应为一理想的 直线。 3