（信息与通信工程专业论文）脉冲gpr高分辨成像算法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 利用电磁波在非金属媒质中的穿透性能。探地雷达可实现多种媒质中目标的 检测、定位和识别。该技术具有非破坏性、穿透能力强、分辨率高、操作方便和 费用低廉等优点，广泛应用于军事和民用的多种探测场合。本论文针对探地雷达 应用中的目标二维和三维重构问题研究了脉冲探地雷达高分辨成像算法。 第二章研究了基于阵列天线扫描的衍射层析成像算法首先从电磁散射积分 方程出发，在一阶b o r n 近似下，建立了合成孔径扫描下目标散射信号和目标函数 的对应关系进而推导了衍射层析成像算法并对算法的处理流程和运算量进行了简 单的分析。然后对阵列天线扫描下接收到的目标散射信号进行了分析，指出高密 度的空间采样包含了丰富的目标散射信息，可用来进行高分辨成像。通过引入发 射孔径矢量和接收孔径矢量，文中导出了基于阵列天线扫描的衍射层析成像算法 的具体实现形式并运用仿真数据进行了实验验证。 第三章针对探地雷达近场浅层探测提出了近场三维距离偏移成像算法。远场 近似下，波阵面可视为平面，目标散射信号可视为目标在雷达视线方向的投影。 而在近场浅层探测中，这一关系不再成立。论文详细分析了目标散射信号的积分 表示形式，提出运用近场球面波传播因子进行近场校正的方法，通过一阶驻相近 似导出了近场三维距离偏移成像算法并对算法的分辨率进行了分析。为迸一步提 高成像的分辨率，提出了基于“通道校正一脉冲压缩”的信号预处理算法并对实 测探地雷达数据进行了预处理和成像处理。 第四章研究了非等问距空间采样下的逆时偏移成像算法。首先从波动方程连 续性出发，导出了窄波束近似下逆时偏移成像算法的差分实现形式。在探地雷达 实地探测中，天线波束宽度一般并不满足窄波束近似，空阃采样也未必都满足均 匀采样的要求。这种情况下，谱域距离偏移成像算法失效，基于窄波束近似的逆 时偏移成像算法的聚焦效果变差。文中通过详细分析逆时偏移成像算法的处理流 程，采用泰勒级数展开的方式实现了波场关于空间变量的方向导数差分离散形式， 在此基础上提出了非均匀空间采样逆时偏移成像算法并对算法的分辨率进行了分 析 第五章研究了表层脱离探测模式下探地雷达的后向投影成像算法。这种模式 也是探地雷达进行探测时所通常采用的。此时基于“延迟一累加”运算的合成孔 径雷达时域后向投影成像算法会产生成像结果的失真，主要体现在两个方面：散 射中心位置的失真和散射强度的失真。前者主要是由于电磁波在媒质表面产生的 折射效应造成的，后者主要是电磁波在传播过程中的衰减造成的，包括球面波传 播损耗、媒质表面的反射损耗和有耗媒质媒质对电磁波的衰减效应通过分析成 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 像结果失真的主要原因，论文提出了时延修正一幅度加权后向投影成像算法。为 进一步降低算法的大运算量对实时成像探测的限制在详细分析了该成像算法的 递归实现形式基础上，提出了实时的时延修正一幅度加权后向投影成像算法。最 后对一个雷达记录剖面采用所提出的“通道校正一脉冲压缩”信号预处理算法进 行了预处理并对预处理结果进行了实时成像实验 主题词：探地雷达雷达成像合成孔径成像高分辨衍射层析距离偏 移逆时偏移后向投影实时成像 第n 页 冒防科学技术大学研究生j 竞博士学位论文 a b s t r a c t b a s e do i le l e c t r o m a g n e t i cw a v el , e m w a 吨p r o p e r t yt h r o u g hn o n - m e t a lm 。d i i i 吐 g r o u n dp a n e t r 址i n gr a d a r ( g p g ) c a ni m p l e m e n tt h ed e t e c t i o n , l o c a t i o na n ds h a p e r e c o n s w a e t i o no f t a r g e t sb u r i e du n d e rt h ee a r t h ss u r 蠡i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h a sn o n d e s t r u c t i v e d e t e c t i o n , s t r o n gp e n e t r a b i l i t y , h i g h r e s o l u t i o np e r f o 吣 o p e r a t i o n a lc ( m v 喇a l o wc o s ta n ds o o i la i m e da ts u b s u r f a c et a 啪t w o d i m e r b i o na n dt h r e ed i m e n s i o ns h a p er e c o n s m 】c t i o n , h i g hr e s o l u t i o ng p rh n a o n g t e c h n i q u e sa l es t u d i e di nt h i st h e s i s i nc h a p t e r2 ，d i f f r a c t i o nt o m o g r a p h yi m a g i n ga i g o r 聩mb a s e do ng p rl i n e a ra r r a y s c a m i n gm o d e li ss t u d i e d b a s e do nt h ef i r s to r d e rb o r na p p r o x i m a t i o na n ds y n t h e t i c a p e r t u r es c a n n i n g m o d e l ，a t h r e e d i m e n s i o n a l d i f f r a c t i o n t o m o g r a p h y i m a g i n g a l g o r 曲m i se d u c e df r o mb a s i ce l e c t r o m a g n e t i cs c a a e r 吨i n t e g r a le q u a t i o n ab r i e f a n a l y s i sa b o u t t h i sa l g o r i t h m sp r o c e d u r ea n dc o m p u t a t i o nb u t d e ni sp r o v i d e ds u b s e q u e n t i y u n d e rt h e c o n d i t i o no f l i n e a ra r r a ys c a n n i n g ，d e n s es p a t i a ls a m p l i n go f o b j e c t s s c a t t e r i n gf i e l dc a n b eo m a j n e da n dt h i sm a k e si tp o s s i b i et og e th i g h e rr e s o l u t i o ni m a g i n gr e s u l t s f r o m i n t r o d u c i n g 蟑如s m i t t i n ga p e r t u v e c t o ra n dr e c e i v i n ga p e r t u r ev e c t o r , 8 t h r e e d i m e n s i o n a ld i f f i t i o nt o m o g r a p h yi m a g i n ga l g o r i t h mb a s e d0 1 1l i n e a ra r r a ys c a n n i n gi s e d u c e da n di t si m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r ei sp r o v i d e d b o t hs y n t h e t i ca p e r t u r es c a n n i n g d a t aa n dl i n e a ra r r a ys c a n n i n gd a t aa r ec o l l e c t e db yu s i n gf d t dm e t h o da n dp r o c e s s e d b yt h et w od i f f r a c t i o nt o m o g r a p h yi m a g m ga l g o r i t i m l i nc h a p t e r3 ，描n g en l i g r a t i o ni m a g i 丑ga l g o r i t h mi ss t u d i e dt oi m p l e m e n tt a r g e t r e c o n s t r u c t i o nw h e ng p ri su s e dt od e t e c ts h a l l o ws u b s u r f a c et a r g e t s u n l i k ef a rf i e i d d e t e c t i o n , s c a t t e r i n gw a v ef r o n ti sn ol o n g e rp l a n a rw h e ns u b s u r f a c et a r g e t sl o c a t e sa t g p ri l g a gf i e l d a f o o ta n a l y z i n gs c a t t e r i n gs i g n a l si n t e g r a lf o r m u l a , ac a l i b r a t i o ni t e mo f n 瞪f i e l ds p h e r i c a lw a v es p r e a d i n gb e t o ri s i n v e s t i g a t e da n dan e a ff i e l dr a i g e m i g r a t i o ni m a g i n ga l g o r i t h mi se d u c e db yu s i n gt h ep r i n c i p a lo fs t a t i o n a r yp h a s e f o r m u l a t i o n 硼r e s o l u t i o np a r f o r m a n i sa l s oa n a l y z e ds u b s e q u e n t l y t oi m p r o v e s u b s u r f a c ei m a g i n gr e s u l t sr e s o l u t i o n , an e ws i g n a lp r o - p r o c e s s i n ga l g o r i t h mb a s e do n c h a n n e lc a l i b r a t i o na n dp u l s ec o m p r e s s i o ni sp r o v i d e d e x p e r i m e m a ld a t ac o l l e c t e db ya i m p u l s eg p rs y s t e m - r a d a r e y ei sp r o c 8 , s e db yu s i n gt h en 删s i g n 且lp r e - p r o c a s i n g a l g o r i t h ma n di _ 舡f i e l dr a n g em i g r a t i o ni m a g i n ga l g o r i t h m i n c h a p t e r 4 a嗍n o n - u n i f o r m s p a t i a l锄p l l n g 代啪e t i m e m i g r a t i o n ( n u s s - r t m ) i m n g m ga l g o r i t h mi sp r o v i d e d b a s e do nc o n t i n u o u ss p r e a d i n g p r o p e r t yo f s c a t t a r i n gw a v ei ns p a t i a l - t e m p o r a ld o m a i n , an s n o w 础r t mi m a g i n g a l g o r i t h i ni sd e s c r i b e da n d 虹d i f f e r e n c ei m p l e m e n t a t i o nf o r n m i a t i o ni sp r o v i d e d b u ti n g p ra p p l i c a t i o n , r k a r r o wa n g l ea p p r o x i m a t i o na n du n i f o r l l ls p a t i a ls a m p l i n ga r cu s u a l l y h a r d t os a t i s f i e d b ，u s i n g t a y l o rs e r i e e x p a n d i n g t e c h n i q u e , i t s d i t 瓷r g n g e d i s c r e t e f o r m 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 o fs p a t i a ld e r i v a t i o nc a nb ed e s c r i b e d b yc h a n g i n gt h e m o d i f i e df a c t o ri nr t m a l g o r i t h ma n dt h u san e wn u s s - r t mi m a g i n ga l g o r i t h mi se s t a b l i s h e d i t sr e s o l u t i o n p 曲m 口n c ei sa l s oa n a l y z e ds u b s e q u e m l y ， i nc h a p t e r5 ，at h n e - a e l a ya n da m p l i t u d em o d i f i e db a c kp m j e c t i o n ( t a m - b p ) i m a g i n ga l g o r i t h mi s e s t a b l i s h e dt or e c o m t n t c tu n d e r g r o u n do b j e c t ss h a p ef o rt h e e l e v a t e da n t e n n as c e l 硫，w h i c hi st h eu s u a ls c a n n i n gm o d e l mg p ra p p l i c a t i o n i n t h i ss c e n a r i o , t r a d i t i o n a ls a r - b pi m a g i n ga l g o r i t h mw i l lh i n go u ts e r i o u sd i s t o r t i o ni n i m a g i n gr e s u ki n c l u d i n gs c a t t e r i n gp o s i t i o nd i s t o r t i o na n ds c a t t e r i n gi n t e n s i t yd i s t o f t i o n t h ef i r s to n ci sc a u s e db ye l e c u o m a g n e t i cw a v er e f r a c t i o np h e n o m e n aa ta i r - s o i l i n t e r f a c ea n dt h es e c o n do i l ci sc a u s e d b ys p h e r i c a lw a v ep r o p a g a t i o nl o s sa n d t r a a s m i s s i n nl o s s t h r o u g ha n a l y z et h ef a c t o r sw h i c hc a u s i m a g i n gr e s u l t sd i s t o r ti n d e t a 也an e wt a m - b pi m a g i n ga l g o r i t h mi sp r o v i d e ds u b s e q u e n t l y t os p e e du pi t s p r o c o s s i n 岛ar e a l - t i m et a m - b pa l g o r i t h mi se s t a b l i s h e db a s e do i li t sr e c u r s i v e i m p l e m e n t a t i o nm o d e la ne x p e r i m e n t a lb - s c a nr e d a r g r a mi sc o l l e c t e db yu s i n g r a d a r e y es y s t e ma n di t sp r e - p r o c e s s i n gr e s u l t sa n dr e a l - t i m et m a g 抽gr e s u l t sa r ea n s h o w ni nt h ee n d k e yw o r d s ：g r o u n dp e n e t r a t i n 9r a d a rr a d a ri m a g i n gs y n t h e t i c a p e r t u r ei m a g i n gd i f f r a c t i o nt o m o g r a p h yr a n g em i g r a t i o nr e v e r s e t i m e m i g r a t i o nb a c kp r o j e c u o nr e a lt i m ei m a g i n g 第i y 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表1 1 表l 2 表5 1 表目录 四种体制探地雷达的性能比较 典型的商用g p r 产品 实时t a m - b p 算法运算量分析 第1 v 页 3 5 9 4 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 圈1 1 冲激脉冲体制g p r 系统构成4 图1 2g p r 系统研究技术路线6 图1 3g p r 一维和二维扫描示意图7 图1 4g p r 成像基本理论框架8 图1 5 二维成像结果显示方式1 0 图1 6 三维成像结果显示方式。l l 图2 。1 单发单收天线表层脱离探测示意图1 6 图2 22 5 维d t 成像处理流程2 l 图2 3 维扫描下空域采样示意图2 2 图2 4 阵列天线扫描下三维目标d t 成像处理沥程2 4 图2 5 阵列天线扫描下目标散射数据表示2 6 图2 6d t 算法对扫描数据的成像结果。” 图3 1g p r 一维扫描模型2 9 图3 2 相移法实现波场递推3 0 图3 3 单个点目标的正演模拟3 l 图3 4 加窗处理后的单个目标正演结果3 2 图3 5 多个点目标散射场正演。3 2 图3 6g p r 二维合成孔径扫描示意图。3 5 图3 7g p r 三维r m 成像算法。3 7 图3 8 理想情况下目标散射信号的谱域填充示意图3 7 图3 9 分辨率随媒质特性和信号带宽的变化曲线3 9 图3 1 0 脉冲压缩处理流程4 l 图3 11 高分辨信号预处理流程4 2 图3 1 2r a d a r e y e 扫描场景。4 3 图3 1 3 脉冲源的归一化时域波形和归一化幅频。4 3 图3 1 4 空沙坑测试结果4 4 图3 1 5 两根钢筋预处理前后成像结果对比4 5 图3 1 6 单根钢筋原始扫描数据和r m 成像结果4 6 图3 1 7 垂直放置的两根钢筋预处理和成像结果。4 7 图3 1 8 金属半球的测量数据和处理结果4 8 图3 1 9v 形实心棒的测量数据和处理结果4 9 图4 1 对称隐式差分格式5 3 图4 2 窄波束近似下的r t m 成像算法处理流程。5 6 图4 3 点目标r t m 成像处理5 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 4 点目标预处理后的r t m 成像结果5 8 图4 5 坐标系df ，中的单个网格 图4 6 宽波束非均匀采样下的r t m 差分格式 5 9 6 0 图4 7 非均匀采样下波场的二阶偏导数计算和误差分析6 2 图4 8 收发分置天线扫描几何示意图 图4 9f d t d 仿真数据和非均匀采样数据生成 图4 1 0n u s s - r t m 和r m 成像算法对比 图4 1 1 实测数据r t m 成像处理 图4 1 2 两种算法对均匀采样数据的成像处理 图5 1b p 算法聚焦过程 6 4 6 8 6 9 图5 2 收发一体天线一维扫描示意图 图5 3 间距固定的收发天线一维扫描示意图 7 1 7 4 7 6 7 6 图5 4 固定偏移收发天线时延曲线。 图5 5 收发一体天线表层脱离探测模式7 8 图5 6 导电边界上电磁波的斜透射7 8 图5 7 表层脱离探测模式下信号空闯和像空间映射关系 图5 8 表层脱离探测模式下传播时延变化曲线 。8 l 图5 9 收发分置天线表层脱离探测示意图舵 图5 1 0g p rt a m - b p 成像算法流程图 图5 1 1 一维扫描下b p 和t a m - b p 成像结果 图5 1 2v 形实心棒的实测数据和三维成像结果 8 3 8 4 图5 1 3 钢筋网格三维成像结果 8 5 8 6 图5 1 4 平面分层媒质中电磁波传播示意图8 7 图5 1 5 折射角和衰减因子随入射角和媒质电导率的变化 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 l 图5 2 2 图5 2 3 。8 8 两根钢筋原始回波数据和成像结果8 9 t a m - b p 算法分辨率分析示意图9 0 t a m - b p 算法的递归模型。9 3 原始t a m - b p 算法和实时t a m - b p 算法的运算量对比9 5 两种成像算法的运算量对数对比图9 5 两种成像算法对固定区域成像的运算量对比。9 6 实时t a m - b p 成像实验9 7 实时成像结果显示9 7 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 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，一 学位论文题目：然韭塑垦直金蕴成堡差鎏珏究 学位论文作者签名：亟玺叁日期：加口5 年月够日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国纺科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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，j 【编学位论文 ( 保密学, t 盘f e 文在解密后适用本授权书) 学往论文作者签名：宣叁冬 作者指导教师签名：孳：主主一 日期：h 口年夸月够日 日期：删年舻月影旨 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 探地雷达技术的出现和发展很大程度地扩展了人类认识和改造客观世界的能 力，而人类对表层下隐蔽目标的感知需求又不断地促进着这一技术的发展。本章 简要介绍了探地雷达技术的发展概况，分析了探地雷达系统研究的技术路线，并 对冲激脉冲体制探地雷达和高分辨雷达成像技术做了较为详细的阐述，最后介绍 了本文的内容安捧 1 1 探地雷达简介 雷达最早出现在三十年代后期。早期的雷达只能发现目标和测量目标的距离1 1 2 1 人们把它叫做“无线电探铡和测距”( r a d a r ：r a d i od e t e c t i o n a n d r a n g i n g ) 经过几十年的发展，雷达的功能早已超出了探测和测距的范围，在宇宙探测、地 球遥感、地下目标探测等多方面都显示出无可比拟的优越性，成为人们获取空间 目标信息的重要手段1 2 ”】。随着人类对自然界认识的逐步深化。人们对地表下世界 的探知要求变得越来越深入和迫切，从探测当今世界危及人生安全的地雷，考古 发现到地质勘探、工程建设，要求的探测深度从几十厘米到数千米不等。在现代 国民经济建设的众多部门和国防建设中，浅层地下目标的探测和识别已成为个 重要的研究方向【”一7 1 。在不破坏地表结构的情况下获取地下未知区域的信息显得 尤为重要l “j ，尤其是当把成像技术应用其中时。探地雷达( g p r ：g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r ) 是当今各种浅层地下目标非破坏性探铡技术中最具有应用前景和发展前途 的方法之_ 1 1 9 2 9 1 。 1 1 1 探地雷达特点与应用 g p r 又称为表层穿透雷达( s p r ：s u r f a c ep e n e t r a t i n gr a d a r ) 和表层下雷达 ( s s r ：s u b s u r f a c er a d a r ) ，是指利用电磁波在媒质电磁特性不连续处产生的反射 和散射实现非金属覆盖区域中目标的成像、定位进而定性或者定量地辨识探测区 域中的电磁特性变化，实现对探溯区域中目标的探测 3 0 - 3 3 1 。简单地说，g p r 的任 务就是描述目标的几何和物理性质。g p r 所具有的优于其它遥感技术特点包括： 快速、高空间分辨率、对目标的三维电磁特征敏感，可以测量前方区域甚至机载 测量。其运动平台可分为飞机、地表车载和手持、地下凿洞以及多洞问探测t 3 4 - 3 9 本文主要讨论地表工作的g p r 作为一种地下浅层探测工具，g p r 在实际应用中与其它地下探测技术相比， 具有以下优点： 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 g p r 是一种非破坏性探测技术，可对各种非金属覆盖区域内部进行无损 探测。 g p r 可远距探测未知区域中的耳标分布，避免了潜在的危险。 g p r 可反映出媒质的电磁参数变化，对金属和非金属目标都可以进行探 测和识别。 g p r 可实现较高的空间分辨率，能满足多种探测需求 配置合适的天线和收发装置，g p r 几乎可以用于任何非金属体内的目标探测。 以下是目前已经成功的应用 1 5 , 3 9 4 7 1 ： 市政工程，如：坝、桥、高速公路的评估 埋地管线的定位 地下设施的确定，如：隧道和地下室 考古探测 地质与水文地质探涮 冰层与冻土探测 地雷、u x o 探测 伪装的爆炸物和毒品的探测与识别 无损评估拐e 测( n d e n d t ) 1 1 2 探地雷达分类 按照数据采集方式的不同，g p r 可分为地表式g p r 、钻孔式g p r 等；按照其 装载方式，可分为手持式、车载式、机载式等。不同体制的g p r 有不同的探测能 力和应用环境。g p r 的体制主要是由其调制方式决定的，调制方式则是根据穿透 深度、分辨率、电磁干扰程度以及体积和成本等因素的特殊要求进行选择的阱 4 85 ”。理论上，只要工作频带相同，系统的分辨能力和穿透性能是相同的，获取目 标的散射信息也是相同的。然而不同的信号形式有其不同的系统实现特点。目前 最为常见的商业或实验性g p r 系统信号形式是冲激脉冲，其次是线性调频，然后 是步进变频和噪声信号下面对这四种体制的探地雷达傲一简单的介绍。 ( - - ) 冲激脉冲。为兼顾探测深度和分辨率，要求系统具备宽带特性。冲激 脉冲是一种典型的宽带信号，这种体制的探地雷达系统体积小，测量速度快，广 泛应用于浅表层探测中瞰删。系统发射纳秒级脉冲，通过等效采样技术对回波脉 冲进行采样，目标回波包含了宽带电磁散射特征，可进行成像和识别。由于冲激 脉冲的辐射能量有限，因此这种体制的探地雷达系统不适用于深层探铡。 ( - - ) 线性调频。系统发射线性调频信号，根据预知的地下介质的频率衰减 特性以及可能的地下目标的频率响应特性预先设定工作频带。其优点为分辨率高， 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 发射频谱易于控制，具有很宽的动态范围；缺点是体积大、成本高，且系统比较 复杂，5 6 1 。目前大多数线性调频g p r 仅限于对几十厘米以内表层的探涮，如机场 跑道和高速公路等表层中的结构异常或孔穴的探测 ( 三) 步进频率。发射信号可以是点频，也可以是一些特定问隔的频率，接 收端采用孔径天线在地表接收来自地下区域的后向散射信号并对信号的幅度和相 位进行测量即卵删。发射信号的窄带特性使天线的设计较之宽带系统相对容易但 其工作频率须根据地下介质的频率衰减特性仔细选择。 ( 四) 噪声信号。系统发射噪声信号，接收信号与经过时延的发射信号相关 处理实现对地下目标的检测和定位【6 l ，6 2 】。系统测量功率与目标反射系数幅度的平 方成正比。 下表给出了四种体制的探她雷达性能比较 3 0 , 3 2 。 表1 1 四种体制探地雷达的性能比较 性能 发射动态硬件 电磁测量 信号 辐射能量 波形可控范围复杂度兼容速度 形式 冲激脉冲 小不可控小简单 差 快 线性调频 大精确可控较大较复杂 较差 快 步进频率大精确可控大较简单 好 慢 噪声较小可控 较小 复杂差较慢 各种体制的g p r 具有各自的特点，有些体制之间还存在着应用上的互补性 对浅层勘探而言，冲激脉冲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。另外，冲激脉冲体制测量 速度快。因此目前绝大多数g p r 产品是冲激脉冲体制系统。线性调频体制基于其 大动态范圉、高辐射功率可有效的应用于深层有耗媒质中的目标探测。步进频率 体制探地雷达的实现原理简单。但受制于高性能的元器件，且后续的信号处理工 作较为繁琐。噪声信号体制探地雷达系统实现较为复杂u o ，i i , 3 0 , 6 3 。当前国外已有 适用于各种类型的军用和商用g p r ，工作频带一般在1 0 m h z 到3 g i - l z 之问，探测 深度从几厘米到数十米，探测分辨率最高可以达到厘米量级 1 1 3 冲激脉冲探地雷达系统构成 在不同的应用背景中，g p r 的实现形式和测量方式可能千差万别，但其基本 的系统构成大体类似。典型的冲激脉冲体制g p r 系统构成和探测原理如图1 1 所 示： 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 冲激脉冲体制g p r 系统构成 在计算机的控制下，时序控制电路( 包括比较器、可变电平、快斜坡信号、 慢斜坡信号和控制电路等电路模块) 输出同步脉冲和取样脉冲同步脉冲触发脉 冲源发射纳秒级宽频带窄脉冲信号，经由位于地面上的宽带发射天线耦合到地下。 当发射的脉冲波在地下传播过程中遇到电磁特性不同的介质界面、目标或局域介 质不均匀体时，一部分脉冲波能量被反射回到地面，由地面上的宽带接收天线所 接收。取样电路在取样脉冲的控制下，按等效采样原理将接收到高速重复的脉冲 信号变换成低频信号。该信号送往数据采集卡，经过放大、骆波，再进行a d 变 换。通过c o m p a c t p c i 总线传输给计算机模组。计算机模组的应用软件对数据进行 信号处理和成像，并在显示器上显示出来 1 2 1 探地雷达系统 1 2 国内外研究现状 g p r 技术起源于德国科学家在研究埋地特性时的专利技术1 9 1 0 年，l e i m b a c h 和l o w y 在德国专利中提出了利用电磁法探测埋藏物体的方法，他们将偶极子天线 埋设在孔洞中进行发射和接收电磁波。由于高导电率的媒质对电磁波的衰减作用， 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 通过比较不同孔洞之间接收信号的幅度差别，可以对媒质中电导率高的部分进行 定位1 9 2 6 年，h o i 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目标电磁波回波信号与地下介质及目标间的本质 联系。从而为g p r 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 脚2 9 3 3 , 6 4 - 6 6 1 。直到上个世纪六十年代末、七十年代初，等效采样技术和亚纳秒脉 冲产生技术的发展，从技术角度加速了探地雷达的发展。同时美国阿波罗月球表 面探测实验从应用角度促进了探地雷达技术的广泛使用1 9 7 2 年，第一个探地雷 达设备制造公司( g e o l o g i c a ls u r v e ys y s t e mi n c ) 宣告成立，这直接导致了探地雷 达研究投入的增加，反过来又促进了探地雷达产业的发展。2 0 世纪7 0 年代以后， 探地雷达技术开始在市政工程、考古、地质、探雷等方面的研究和应用变得频繁 起来 6 7 1 。早期的探地雷达系统属粗距离分辨和方位分辨系统。随着硬件技术的提 高和近场合成孔径雷达技术的发展。高分辨率二维成像作为一项探地雷达基本功 能在很多系统采用，阵列天线技术的采用，使得三维实时成像成为可能。二维或 三维成像对于操地雷达数据解释是一个质的飞跃，因为它良好的可视化降低了对 判读员的要求。使得原本不直观的数据易于从形态上和局部散射强弱上来理解。 目前国际上从事g p r 技术研究的公司及产品主要有：美国g s s i 公司的s i r 系列；加拿大s s i 公司的p u i s e e k k o 系列；瑞典m a l a g e o s c i e n c 2 公司的r a m a c 系列等，其典型的g p r 产品及其信号体制和工作频段见下表1 6 8 - 7 1 1 ： 衰l2 典型的商用g p r 产品 产品型号制造商信号体制频段姗z s i r 2 0 0 0 g s s i ，u s a 冲激脉冲1 6 一1 5 0 0 p u l s e e k k o1 0 0 0s s i ，c a n a d a 冲激脉冲 1 1 0 1 2 0 0 r a d ：a cm a l ag e o s c i e n c e , s w e d e n冲激脉冲 2 5 - 1 0 0 0 k s d 2 l k o d e n , j a p a n 冲激脉冲 5 0 2 0 0 0 z o n d l 2 cr a d a rs y s t e m s ，l a t v i a 冲激脉冲 3 8 2 0 0 0 g e o r a d a r g e o r a d a r , u s a步进频率 1 0 0 1 0 0 0 s p r s c a n。e r at e c h n o l o g y , u k 冲激脉冲 5 0 0 1 0 0 0 这些设备的共同特点是均配有不同主频的天线以满足不同探测深度的需求。 以g s s i 公司的s i r - 2 0 0 0 系统为例，它可以装配g s s i 公司研发的各种天线并完成 单通道、多通道车载或手持式探测。从表中也可以看出，目前g p r 技术发展的主 流便是冲激体制，本文也正是对这种体制g p r 的高分辨成像技术进行研究的。 国内对探地雷达的研究起步较晚，近年来在该领域内也取得了一定的技术进 步，不少研究单位也推出了自己的探地雷达样机如中国电波传播研究所研制的 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 l t d - 3 探地雷达；煤炭科学总院重庆分院开发的k d l - 3 、4 型矿井防爆探地雷达； 艾迪尔公司的c b s 9 0 0 和c r - 2 0 0 0 探地雷达f ”j 。在国家。8 6 3 ”计划项目的资助 下。国防科学技术大学电子科学与工程学院研制了一套冲激脉冲体制的探地雷达 系_ , 统- - r a d a r e y e 3 2 , 7 s , 删，成功应用于公路质量评估和高分辨她下目标成像场合。 1 2 2 探地雷达信号处理 g p r 是否可以有效应用，不仅取决于硬件系统的性能，同时取决于信号处理 和数据解译技术。相对于硬件技术的发展，探地雷达信号处理技术更加滞后。反 过来也表明信号处理技术的生命周期比硬件技术更长。探地雷达信号处理技术主 要包括目标检测、成像、识别和介质分层 s o m 。具体实现时，一般要在前端进行 信号预处理工作，包括随机噪声抑制、直达波和射频干扰抑制删。为增强信号 处理的直观性和人机交互性能，还要进行原始数据和处理结果的可视化处理。典 型的探地雷达全系统设计路线如图1 2 所示 图1 26 豫系统研究技术路线 目标检测主要包括能量检测、相关检测、特征检测( 基于模型的特征方法) 和变换域检测算法( 小波域检测算法，双谱域检测算法) 降1 毫7 - 9 2 。检测算法要求 第6 页 田防科学技术大学研究生院博士学位论文 有高检测率和低虚警率。对于探雷系统而言，则是要在保证漏报率为0 的前提下 尽可能降低虚警率p ”检测结果要直观快速的显示在终端设备上以供操作员进行 判决。 介质分层是g p r 进行公路探测时最具价值的一个应用 s g , 9 l c 0 6 。基于一维逆散 射的层状介质电磁参数估计和层厚度估计技术已经发展的比较完善但实际的公 髂各层并不是理想的均匀媒质，有必要引入随机媒质中波的解析理论和强起伏理 论进行高分辨介质分层。 目标识别是g p r 信号处理中最具挑战性的一个课题。探测地域电磁环境的复 杂佳和埋地目标的多样性使得目标特征不变量的确定非常困难即嗍。现有的识剐 算法一般是对确定已知探测区域内有限的多个己知目标的检测识别或是对某一类 目标( 地雷) 的识别。可采用的方法有基于回波相位的模板匹配和基于高阶谱的 特征不变量提取。当目标散射信号的空间采样足够多时，就可以借助于探地雷达 成像技术进行目标的分类识别。 雷达成像技术则是g p r 应用中最实用的处理方法，但同时它对目标散射信号 的采样要求也最高，包括大采样区域和高采样密度f s 1 0 0 - 1 “。首先要求探地雷达天 线要具有大主瓣宽度，这样才能有效地进行合成孔径处理。同时还要求探地雷达 在天线有效照射范围内进行密集采样。典型的收发一体探地雷达一维合成孔径和 二维合成孔径扫描示意图如图1 3 所示 t 瓜佩 且。且 产= - 卜 j 、jj 地表 、?、 0 、。 !；、 i ：_ j 、。序t ：一 目标 介质层面 一一