（通信与信息系统专业论文）超宽带探地雷达探测性能及数据处理方法研究.pdf

摘要 超宽带探地雷达探测性能及数据处理方法 研究 作者简介：李文超，男，19 8 2 年6 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大学王绪本 教授，于2 0 0 7 年1 2 月获硕士学位。 摘要 探地雷达( g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r ，g p r ) 是近几十年发展起来的一种基于 地下目标的有效探测手段。近年来随着超宽带技术的发展，超宽带探地雷达得到 了广泛的研究和应用。在国防、公安、城市建设、公路、铁路、机场、水利、运 输、矿山、隧道、考古等许多领域都表现出强劲的生命力和广阔的应用前景。超 宽带探地雷达的研究对国民经济的发展有十分重要的意义。 本文通过对雷达探距方程的分析，得出了探地雷达探测深度的影响因素；在 品质因子为常数的假设条件下，分析了极限情况下( 百分带宽等于2 ) 超宽带信 号的能量损耗情况；并以此为基准，比较了具有不同百分带宽探地信号的探测深 度；找出了相对探测深度、距离分辨率与百分带宽的关系；从数学的角度推导了 距离分辨率、方位分辨率的影响因素。 针对探地雷达数据与地震数据记录的相似性，借鉴地震数据处理中的一些方 法，同时结合超宽带探地雷达自身的特点，研究了一种新的高分辨率时频分析方 法：s 变换，并与常规方法进行了比较；研究了f k 偏移成像方法在超宽带探地 雷达中的应用，比较了不同的插值方法。 本文完成的主要工作可归纳为如下几个方面： 1 在一定条件下，推导了相对探测深度、分辨率与百分带宽的关系；找出 并相对量化了超宽带探地雷达相对于窄带连续波雷达的优势。 2 针对目前常用时频分析方法存在的问题；重点研究了一种新的时频分析 方法：s 变换，进行了有效性验证，与短时傅立叶变换进行了比较，并用 于模拟的超宽带探地雷达信号的时频分析，结果表明s 变换在高频段具 有高的频率分辨率，在低频段具有高的时间分辨率的特点。 3 实现了基于不同插值方法的f k 偏移处理；引入了图像熵的概念，从图 像熵和运算时间两个方面对不同插值方法进行了比较，得出基于8 点 s i n c 插值的f k 偏移在效率、效果方面具有优势。 成都理小人学硕十学位论文 4 利用基于s 1 n c 插值的f k 偏移方法对u w b g p r f 演数据进行了处理， 结果表明反射波得到了f 确归位，绕射波自动收敛，提高了剖面的横向 分辨率，确切地反映了异常体的位置、结构信息。 关键字：超宽带，探地雷达，探测性能，s 变换，频率波数域偏移 摘要 r e s e a r c ho n e x p l o r i n gp e r f o r m a n c e a n d d a t a p r o c e s s i n go f u l t r aw i d e b a n d g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r i n t r o d u c t i o no fa u t h o r ：l iw e n c h a o ，m a l e ，b o mi nj u n eo f1 9 8 2 ，w a sg r a n t e dt h e n l a s t e rf r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yw h o s et u t o rw a sp r o f e s s o rw a n g x u b e n a b s t r a c t g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) i sa ne f f e c t i v ed e t e c t i o nm e t h o do fb u f f e d t a r g e t sd e v e l o p e di nt h e s ed e c a d e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu l t r aw i d e b a n d t e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，t h e ma r ea ni n c r e a s i n g l yu s ea n ds t u d yo f u l t r a w i d e b a n dg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( u w bg p r ) ，w h i c hh a v es h o w ns t r o n gv i t a l i t y a n db r o a dp r o s p e c ti nd e f e n s e ，p u b l i cs e c u r i t y , u r b a nc o n s t r u c t i o n ，h i g h w a y s ，r a i l w a y s ， m r p o r t s ，w a t e rc o n s e r v a n c y , t r a n s p o r t a t i o n ，m i n e s ，t u n n e l s ，a r c h a e o l o g i c a la n dm a n y o t h e ra r e a s s ot h er e s e a r c ho fu w bg p ri sv e r ys i g n i f i c a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to f c i v i le c o n o m y b a s e do nt h er a d a re q u a t i o n ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fd e t e c t i o nd e p t ho f g p rw e r ea n a l y z e d u n d e rt h ea s s u m p t i o nc o n d i t i o nt h a tt h eq u a l i t yf a c t o ri sa c o n s t a n t ，t h ee n e r g yl o s so fu l t r a - w i d e b a n ds i g n a lw a ss t u d i e d ，a n dg r o u n d - p r o b i n g d e p t ho fd i f f e r e n ts i g n a l s 、 ，i md i f f e r e n tf r a c t i o n a lb a n d w i d t hw e r ec o m p a r e d 1 1 l c r e l a t i o n sb e t w e e nt h er e l a t i v ep r o b i n gd e p t h ，t h er a n g er e s o l u t i o na n df r a c t i o n a l b a n d w i d t hw e r ef i n d e do u t n 惦i n f l u e n c i n gf a c t o r so fr a n g er e s o l u t i o na n da z i m u t h r e s o l u t i o nw e r ed e d u c e df r o mt h em a t h e m a t i c a lp o i n to f v i e w a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yo ft h ew a yt h a td a t ar e c o r d e db e t w e e ng r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a ra n dt h es e i s m i ce x p l o r a t i o n ，s o m ed a t ap r o c e s s i n gm e t h o d sf r o m s e i s m i ce x p l o r a t i o nw e r ei n t r o d u c e d ，c o n s i d e r i n gt h eo w nc h a r a c t e r i s t i c so fu w b g p r 1 1 1 ea p p l i c a t i o no ft h et i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sa n df km i g r a t i o nm e t h o di n u w b g p rw e r ef o c u s e do nh e r e n ep r i m a r yw o r ki nt h i st h e s i sc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w i n g i i i 成都理工大学硕士学位论文 1 1 1 l ec o r r e l a t i o n sb c t w e e np e n e t r a t i n gd e p t h r e s o l u t i o na n df r a c t i o n a lb a n d w i d t h w e r ed e r i v e du n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，a n dt h ea d v a n t a g e so fu l t r aw i d e b a n d g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( u w bg p r ) o v e rn a r r o w b a n dc o n d n u o u s w a v e r a d a rw c r cf o u n do u ta n dq u a n t i f i e d 2 a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h ec o m m o n l yu s e dt i m e f r e q u 饥c y m e t h o d s ，an c wt i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o dw a ss t u d i e d ，t h a ti sst r a n s f o r m 1 1 圮v a l i d i t ya n dc o m p a r i s o n 、i t l ls h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r mf s t f t ) w e r e a n a l y z e d n l er e s u l t so b t a i n e dw h e nu s i n gt h est r a n s f o r mi nt h ep r o c e s s i n go f u w bg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rs i g n a l si n d i c a t et h a ti th a sg o o df r e q u e n c y r e s o l u t i o na tt h eh i g hf r e q u e n c yb a n d , a n dg o o dt i m er e s o l u t i o na tt h el o w f x _ c ( 1 u e n c yb a n d 3 t h ef - km i g r a t i o np r o c e s s i n gb a s e do nd i f f e r e n ti n t e r p o l a t i o nm e t h o d sw e r e c o d e d ，a n dt h ed i f f e r e n ti n t e r p o l a t i o nm e t h o d sw e r ec o m p a r e db yi n t r o d u c i n gt h e c o n c e p to fi m a g ee n t r o p y 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h ef km i g r a t i o np r o c e s s i n g b a s e do n8p o i n ts i n ci n t e r p o l a t i o nh a ss o m ea d v a n t a g e si ne f f i c i e n c ya n d e f f e c t i v e n e s s 4 1 1 1 es i m u l a t e dd a t ao fu l t r aw i d e b a n dg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rw e r ep r o c e s s e d u s i n gt h e8p o i n ts i n ci n t e r p o l a t i o nb a s e df - km i g r a t i o nm e t h o d i t ss h o w n t h a t f km i g r a t i o nm e t h o dc a nm a k et h er e f l e c t i o nw a v er e t u r nt oo r i g i n a lp o s i t i o n , a n dm a k et h ed i f f r a c t i o nw a v ec o n v e r g e t h ea z i m u t hr e s o l u t i o no f p r o f i l e sw e r e g r e a t l ye n h a n c e d a n d t h el o c a t i o na n ds t r u c t u r eo fa n o m a l yw e f ec l e a r l y r e f l e c t e d k e y w o r d s ：u w b ，g p r ，e x p l o r i n gp e r f o r m a n c e ，st r a n s f o r m ，f - km i g r a t i o n 独创性声明 本入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王盍堂或其他教 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。 学位论文作者签名：吾丈超 2 。7 年2 月 日 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王太堂有关保留、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。本人授权盛壑堡王盔堂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：拳乏 学位论文作者导师签名： 2 口0 7 年 2 月 日 第1 章引言 1 1 研究背景及意义 第1 章引言 近年来，随着城市化进程的加快，城市的高层建筑同趋增多，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，目前的电磁探测方法 及探测手段面临着很多的问题，如分辨率不高、探测深度不大、分辨率与探测深 度相互牵制等等。 探地雷达( g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r ，简称g p r ) 是近几十年发展起来的 一种地下目标的有效探测手段，与电阻率法、低频电磁感应法及地震法等常规 的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、探测范围广等优越性。尤其是随着超宽带技 术的发展，超宽带探地雷达更是得到了世界各国的重视。 本文将重点对超宽带探地雷达的探测性能及相关的数据处理方法进行研 究。研究成果可用于灾害救助、国防、公安、城市建设、公路、铁路、机场、 水利、运输、矿山、隧道、考古等许多领域，对国民经济的发展有十分重要的 意义。 成都理工大学硕士学位论文 1 _ 2 超宽带及国内外探地雷达研究概况 1 2 1 超宽带 超宽带技术的起源可以追溯到1 8 8 7 年，在这一年，赫兹实验验证了电磁波 的存在。2 0 世纪5 0 年代后期美国林肯实验室等机构在开发相控阵雷达时，研究 了4 端口共轭微波网络的时域脉冲响应特性，并用雪崩三极管产生了超短脉冲， 开辟了时域电磁学这一新的技术领域。到2 0 世纪7 0 年代初，脉冲序列发生器、 脉冲序列调制器、检测接收机、宽带天线等超宽带雷达系统的主要模块已经基本 成熟，相关研究创新来自对特定系统实现模块的改进。 1 9 8 9 年，美国国防部高级计划署开始采用超宽带一词，此前，u w b 技术一 直被称为基带、无载波或脉冲无线电。考虑到当时超宽带技术主要面向雷达等军 事领域应用的特点和要求，超宽带有如下定义： 把绝对带宽4 厂= 厶一无与中心频率的比值称为百分( 相对) 带宽或者称为 带宽指数： = 等咄糟 m ， 任何一种雷达信号，不论其中心频率或时带积如何，只要其百分带宽大于或 等于2 5 ，就称这种雷达系统为超宽带雷达。 图卜1 相同中心频率时，窄带、宽带、超宽带示意图 通常把 1 定义为窄带，把1 s 电5 定义为宽带，而把2 5 定义为 超宽带( u w b ) 。一般由参量谱分布数值下降3 d b 来确定频率范围的上限频率加 和下限频率儿，也有用下降5 0 来确定的。或者是把参量谱分布数值占总参量 2 第1 章引言 谱的9 5 的范围确定为上下限。如图1 - 1 所示，为典型的相同中心频率时，窄带、 宽带、超宽带的示意图。 信号的带宽指数也可以采用比值4 ，。“a ，也有人称此为带比，如果用对 数量度则为d ，2 1 0 1 9 。勉。 特别的，对于探地雷达而言，一般称辐射信号满足百分带宽大于等于1 0 0 的为超宽带探地雷达( u w b g p r ) 。 从冷战结束后的2 0 世纪9 0 年代开始，很多军事技术转入民用，渐成潮流。 美国f c c 于2 0 0 2 年2 月1 4 同给出了超宽带无线电的定义，规定百分带宽大于 等于2 0 或者绝对带宽大于5 0 0 m h z 即为超宽带，由功率谱衰减1 0 d b 确定，并 且规定了最大能量辐射标准。 从超宽带的发展历程来看，越来越多的信号种类被纳入了超宽带的范畴。另 外，早期的超宽带技术主要应用在军事领域，自从2 0 0 2 年2 月美国f c c 批准超 宽带技术用于民用产品以来，其应用越来越广泛，如勘测成像领域、汽车电子领 域。在通信领域，以i n t e l 为首的多频带o f d m 方案和以m o t o r o l a 等公司提出 的方案一直在争论，至今未达成统一。 1 _ 2 2 国内外探地雷达的研究概况 早在1 9 0 4 年，德国的h u l s m e y e r 就采用电磁波探测地下的金属物体；但是 直到1 9 1 0 年在l e i m b a c h 和l o w y 的一个德国专利中才有利用电磁波对埋藏物 体进行定位的第一次描述。在1 9 2 6 年h u l s e n b e c h 第一次使用脉冲技术探测埋 藏介质的结构，他发现任何电介质的变化都会产生反射，从而可以对埋藏目标进 行探测。从1 9 3 0 年起，在随后的5 0 年中，探地雷达一直都是一种深层探测的有 效手段。s t e e n s o n 和e v a n s 利用探地雷达实现对冰层厚度的探测；m o r e y 实现对 水的剖面成像，并探讨了探地雷达在民用工程中的应用；c o o k 和u n t e r b e r g e r 利用探地雷达实现对盐层的测量；k a d a b a 利用探地雷达实现对沙漠的地下探测； r o e 和e l l e r b r u c h 利用探地雷达实现对煤层厚度的测量；m c c a n n 给出了在地质 勘查中地震法和探地雷达法的对比。在2 0 世纪8 0 年代，g p r 被广泛用于测 量煤层的厚度，检测管道和电缆；而且一些军事应用包括隧道检测和非金属雷的 检测等也被提出。 进入2 0 世纪9 0 年代，比利时r m a ( 皇家军事学院) 开发了频率范围在 1 g 5 g h z 的u w b g p r 实验系统，并设有专门的超宽带探地雷达实验室；韩国 e l e c t r o t e c h n o l o g yr e s e a r c hi n s t i t u t e 开发了频段范围在1 0 0 m 一4 0 0 m h z 的 u w b g p r 系统。世界各国均加大了对g p r 研究的力度，而且出现很多探地雷 成都理工大学硕士学位论文 达研究机构，比如：荷兰的应用科学研究组织和代尔夫大学，法国一德国的 s a i n t - l o u i s 研究所( i s l ) ，英国的d e r a ，瑞典的f o a ，挪威科技大学和地质 研究所，比利时的r m a ，南非的开普敦大学，美国的林肯实验室和l a w r e n c e l i v e r m o r e 国家实验室等，澳大利亚昆士兰大学，以及日本的一些研究机构等等。 同时出现很多公司专注于g p r 领域，比如美国的g s s i 、g e o r a d a r ，加拿大的 s e n s o r s & s w i n c ，意大利的i d s ，瑞典的m a l a - g e o s c i e n c e 与英国的e r a 等单 位。 目前，全世界有多个涉及探地雷达的国际学术会议，如探地雷达国际会议， 每两年召开一次，目前己召开了十一届；s p i e 有分会和期刊、i e e e 国际遥感会 议有专门讨论探地雷达问题；超宽带短脉冲电磁学国际会议每两年召开一次等 等。 相比之下，国内对探地雷达的研究起步相对较晚，基本上是在国外探地雷达 产品出现后开始的，很多单位都是引进国外的探地雷达产品用于工程实践。目前 主要有电子科技大学、西安交通大学、国防科技大学、中国电子科技集团二十二 所、五十所、成都理工大学等单位从事探地雷达的相关研究。 1 3 本文主要工作 本文主要研究u w b g p r 的探测性能与数据处理算法，主要工作包括： 1 在一定条件下，推导了探测深度、分辨率与百分带宽的关系；找出并 相对量化了超宽带探地雷达相对于窄带连续波雷达的优势。 2 针对目前常用时频分析方法存在的问题；重点研究了一种新的时频分 析方法：s 变换，进行了有效性验证，与短时傅立叶变换进行了比较， 并用于模拟的超宽带探地雷达信号的时频分析，结果表明s 变换在高 频段具有高的频率分辨率，在低频段具有高的时间分辨率的特点。 3 实现了基于不同插值方法的f - k 偏移处理；引入了图像熵的概念，从 图像熵和运算时间两个方面对不同插值方法进行了比较，得出基于 s i n c 插值的f k 偏移在效率、效果方面具有优势。 4 利用基于s i n c 插值的f k 偏移方法对异常体分别为p v c 管、金属 管、圆形空洞及方形绝缘体的u w b g p r 正演数据进行了处理，结果 表明反射波得到了正确归位，绕射波自动收敛，提高了剖面的横向分 辨率，确切地反映了异常体的位置、结构信息。 4 第2 章u w b - g p r 探测原理及体制 第2 章u w b g p r 探测原理及体制 探地雷达是一项很早就提出来的课题，利用雷达原理探地早在1 9 1 0 年就以 专利形式阐明，而且1 9 2 6 年h i i l s e n b e c k 首先用脉冲雷达技术确定地下目标体的 位置。但当时由于地下介质条件比较复杂，多限于吸收波很弱的冰、盐等介质的 探测。随着信噪比的提高和数据处理技术的应用，特别是1 9 6 0 s 以后，超宽带技 术的兴起和发展，极大地提高了探地的分辨率，超宽带探地雷达的实际应用范围 迅速扩大。自1 9 8 6 年召开的国际探地雷达第一次会议，每两年一届，至今召开 了1 1 届，广泛地促进了理论工作和技术交流的发展。 本章主要讨论超宽带探地雷达的探测原理，数据采集方式，不同体制及常见 的超宽带探地雷达天线。 2 1u w b g p r 探测原理及媒质参数 尽管探地雷达技术及其应用取得了令人瞩目的发展，但总的来说，这一发展 是“量变的，而不是质变”。就此发展的本质是得益于数字信号处理技术的发展 和电子器件水平的提高，而没有理论上的突破。 2 1 1 描述媒质介电属- | 生的参数 介电常数、磁导率、电导率分别描述了媒质的极化性能、磁化性能和导电性 能，统称为媒质的本构参数。如表2 1 所示，为常见媒质的介电性质。探地雷达 探测中，地下介质的特性直接影响探地雷达的探测深度、雷达波在地下传播速度 等。电导率的大小决定雷达波的衰减，而介电常数的大小则决定雷达波速并影响 着目标散射回波的强弱。 有耗媒质中沿z 轴方向传播的平面电磁波可以用复传播常数，来描述： e ( z ) = 昂p 一声= e o e p 一肛 ( 2 1 ) 其中衰减常数口和相位因子口由下式给定， 口= 国哇肛( 瓜而彳 协：， 成都理工大学硕士学位论文 = 彩睦胆( 厅而+ 1 ) # 为介质磁导率，占为介质介电常数， 电导率，f o 为角频率。 ( 2 3 ) 辔占：旦，为损耗正切，仃为介质的 f o e v = 罢= 已肛( 而否+ 1 ) 】- 2 在电介质中电磁波的传播速度为： 。” 。 “(2-4) 对于大多数感兴趣的介质，其磁场响应都是非常弱的，可以忽略不记。特别是对 于绝大多数土壤成份来说，常常有t 9 8 1 ，且= 风，因此波速可以近似为： 1c v f 一2 f 、肛、 ( 2 5 ) 对于低耗的土壤成份，常有f 9 2 6 1 ，衰减常数口和频率呈正比，因此可以 近似为： 岱* m 、f 磊t 9 6 二 ( 2 6 ) 另外，有耗电介质媒质的高频介电常数一般可以分为实部和虚部两部分，描 述有效相对介电常数和有效导电率频率相关性的一个常用的方法是采用d e b y e 公式和c o l e c o l e 模型，这里不做深入研究。 表2 1 常见媒质的介电性质 介质相对介电常数 波速( m n s )导电率( s m ) 空气1o 3 o 金属近似为无穷大 0 3 o 2 l1 0 0 0 0 0 0 冰3 - 40 1 7 0 1 50 o o l 冻土3 6o 1 7 0 1 2o 0 1 0 0 0 0 1 混泥土 4 1 00 1 5 0 0 9 5o 0 1 0 0 0 0 0 1 岩石 4 1 0 o 1 5 0 0 9 5 o 0 1 0 0 0 0 0 1 道路路基5 1 00 0 1 3 0 0 9 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 2 沥青 3 - 50 1 5 粘土 4 1 6 o 1 5 0 0 7 5 0 0 5 0 0 0 0 2 白桦木材 2 4 2 7o 1 8 o 1 9 松树木板 1 9o 2 2 沙子 4 2 5 0 1 5 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 0 2 泥沙9 2 3o 1 0 0 6 3o 0 1 0 0 0 1 淡水 8 00 0 3 3o 5 海水 8 00 0 13 0 0 0 干沙 3 50 1 50 o l 干的土壤 5 6o 1 3o 0 1 1 6 第2 章u w b p r 探测原理及体制 2 1 2u w b g p r 探测原理 探地雷达发射电磁波进入介质，介质中任何电参数( 也就是介电常数，磁导 率和导电率) 的不连续都会引起电磁波的后向散射，这些电参数都是频率的函数。 在实际中，基本上都是介电常数的不连续导致电磁波的反射，对于非磁化材料， 其磁导率和自由空间的磁导率相等，导电率基本上影响媒质对雷达波能量的吸 收。介电常数的变化对媒质的特征阻抗的变化影响最大，所以介质中介电常数的 变化会导致电磁波的反射。后向散射的电磁波被接收天线接收，然后在接收机中 进行采样处理，基本原理框图如图2 1 所示。 图2 1 探地雷达原理框图 2 2u w b g p r 数据采集方式 探地雷达系统的操作方式灵活，可采用不同的扫描方式采集数据，扫描方式 不同，采集数据与探测空间位置的对应关系也不同。一般有三种扫描方式： a s c a n 、b s c a n 和c s c a b 。假设天线置于砂平面，电磁波的入射是沿z 轴方向。 1 a - s c a n ，r、 当天线位于叫平面的某一位置，yj ，进行扫描并记录单道数据，或连续 记录了多道数据后输出单道平均数据，这种扫描方式为a - s c a n ，如图2 2 所示， 所进行的是一维信号采集。a s c a n 信号反应出不同位置的媒质表面和媒质内部目 标的反射回波。探地雷达所采集的数据一般是离散的数字信号，假设时间窗为 - ，窗内采样点数为n ，则q ，y ) 处测得的a s c a n 信号可表示为， 成都理工大学硕士学位论文 蜀( 2 ) 。s ( ，只，) i _ “，妁。j ( _ j 2 1 ，2 ，) ( 2 7 ) 式中i 和，为常数，为采样时间窗内的采样点数，a s c a l l 数据可以是全部或部 分采样时间窗内的数据。 a 一 ，x ( a ) a - s c a n ， 憋 孥 - 至弋1 e 啊 r 八严。 v v 7 ( b ) a - s c a n 回波信号 图2 2 典型的a - s c a n 2 b - s c a n 天线在平面砂中沿某一方向移动，进行扫描同时连续记录数据，这种扫描方 式为b 一$ c 8 2 1 。如图2 - 3 所示，由于是不断发射与接收信号，b $ c 甜r l 数据实际是连 续的多道a s c 孤数据构成的二维扫描数据。探地雷达一般是以一定时间间隔， 周期性的发射与接收信号，同时天线按一定速度移动，所采集的每道数据是对应 不同的采集位置( t ，乃) ，这些位置按一定间隔连成一条线，称为测量线。 若天线y 轴位置为y ，沿工轴方向移动，则b $ c 8 f f l 信号可以表示为， ( x ，2 ) = s ( t ，乃，磊) l 趵；i ( 七。1 ，2 ，；f = 1 ，2 ，p ) ( 2 8 ) 若天线x 轴位置为x ，沿y 轴方向移动，则b s c a n 信号可以表示为， & ( 川；s ( t ，乃，& ) i 西。一( 七= 1 ，2 ，。；_ ，= 1 ，2 ，- 埘) ( 2 9 ) 其中p 和m 均为记录数据的道数。 b - m a ，y ( a ) 多个a - s c a n 构成一个b - s c a n( b ) b - s c a n 灰度图 图2 _ 3b - s c a n 8 第2 章u w b - g p r 探测原理及体制 在地下出现的点散射体，由于发射和接收天线的波束宽度的影响，其反射在 b 扫描中呈现双曲线结构。利用在图中的几何关系，非常容易说明这一点。假设 均匀的媒质空间中波速为v ，发射天线和接收天线之间距离很小，因此可以近似 为一个天线( 单基的情况) 。坐标系统如图2 - 4 所示，一个点散射体位于【u ，气j ， 厂了；- 通过天线探测，天线的坐标是( x ，o ) ，天线和目标之间的距离是r + 。图2 _ 4 是记录的数据占( x ，r ) ，点散射体的反射出现在每一个a 扫描中的时间为 r = = f ：坐! 茎( o ，鱼) v 。此方程给出了一个双曲线的描述，其顶点在 v 。双曲线的形 状是与天线的配置( 单基，双基) 、目标的深度和媒质中的波速有关。目标的双 曲线可以通过数据处理进行聚焦，将在第五章进行讨论。 ( a ) 位于( 0 ，z 。) 的点散射体( b ) 记录的数据b ( z ，f ) 图2 - 4 点散射体数据示意图 3 c s c a n 若数据采集是在砂平面内，沿多条平行的测量线，完成对某一块区域的测量， 这种扫描方式为c s c a n ，如图2 5 所示。c s c a n 数据是由多条测量线的b s c a n 数据所构成，可对媒质内部形成立体全面的扫描。测量线一般采用固定间隔，其 疏密程度主要取决于用户测量的目的。要实现媒质内部结构的成像，则需考虑目 标大小、系统频率、天线合成孔径长度等多方面的因素。 多条扫描线合成后的c s c a n 信号可表示为 & 一( x ，y ，z ) = s ( ，乃，4 ) ，( 七= l 2 一n ；i = 1 2 p ；j = l ，2 f ) ( 2 1 0 ) 由于目前探地雷达数据大多为a s c a n 、b s c a n ，所以在第四章、第五章数据处理 部分主要是针对一维和二维数据。 成都理工大学硕士学位论文 ( b ) 多个b - - s c a n 构成一个i f - s c a n 针对不同的g p r 应用，每一种调制技术都有它相应的价值。不同的应用领 域都要求发射波形能实现对感兴趣目标的最适当的测量。当设计探地雷达时，波 形的选择必须考虑对具体的应用该波形的优势和不利的一面，考虑实现该波形的 代价和复杂度。截止目前，主要有以下三种体制的超宽带探地雷达。 2 3 1 冲激体制 最简单直接的g p r 波形就是窄脉冲，图2 - 6 所示是一个冲激体制g p r 的基 本框图。目前可以实现的脉冲宽度( 时间持续期) 一般都在o 2 5 i n s ，甚至更短， 如图2 7 、2 8 所示，为一典型的冲激形超宽带信号时域及频域波形，其中 五= 0 4 6 g h z ，厶= 1 4 9 g h z ，u = 1 0 5 。 图2 _ 6 冲激体制探地雷达框图 1 0 第2 章u w b g p r 探测原理及体制 冲激体制的超宽带探地雷达优点是不必经过过多的信号处理即可进行实时 显示观察，结构相对简单，成本低，这也促使其得到了较早、较快的发展；目前 最大的问题是要有效的发射、接收超宽带脉冲，天线设计制作是相对困难的，这 也将是今后研究的热点问题之一。 如无特别说明，本文所研究的u w b g p r 均为冲激体制，但得到的结论适用 于其他体制。 2 3 2 调频连续波体制 调频连续波探地雷达的基本原理是：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，如图2 9 所示，为 调频连续波探地雷达基本框图。即f m c w 探地雷达发射一个载波，该载波在时 间1 ，内从低频j o 到高频，1 扫描。在时间o ，后扫描重复进行。国内电子科技大学 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 度测试等关键技术做了深入研究。 天线 图2 - 9 调频连续波探地雷达基本框图 成都理工大学硕士学位论文 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： 黔f e a o 啦锲，茅t 亿 ( f ) ：五+ i b t ，o f l 忆等等忆所以可以得到 曲堡( 3 3 0 ) 2 在特定的介质中，速度是定的，可以看出，距离分辨率与脉冲宽度有着紧密的联 系，即脉冲宽度越窄，距离分辨率越好。 t r 图3 - 8 探地雷达距离分辨率示意图 另外，一个视频脉冲的频谱宽度( 半功率点或3 d b 带宽) 近似地等于脉宽r 的 倒数，即r “面1 ，因此可以得到距离分辨率的另外一个表达式， ( 欲) 。= 五v ( 3 3 1 ) 可以看出，要从根本上提高距离分辨率，必须减小脉冲宽度。当前提高距离 分辨率的主要手段是通过反褶积、频率补偿等数据处理手段。 3 3 2 一定条件下距离分辨率与百分带宽的关系 由上节知，纵向( 距离) 分辨率定义如( 3 3 1 ) 式所示，为尺：l ，就非 2 口 磁化介质而言，其相对磁导率为1 ，速度只与其相对介电常数有关。在弱损耗介 质中，近似为矿：呈，c 为电磁波在真空中的传播速度，q 为介质的相对介 o 电常数。值得注意的是b 应为接收信号的带宽。可以看出，相同的介电常数，随 着接收信号带宽的减小，分辨率变差；相同的接收信号带宽，介质的介电常数越 大，分辨率越好。并由3 2 节的讨论可知，同一信号，在不同的探测深度，由于 高频成分的衰减，造成接收信号的带宽不同，分辨率也不同。 这里讨论当接收信号的中心频率确定时，纵向分辨率与百分带宽的关系。 成都理工大学硕+ 学位论文 由( 3 3 1 ) 式， a r ：旦：丛：土 2 b2 b 2 b | q 其中五为信号的中心频率，凡为中心频率所对应的波长。 因为厶与兀满足如( 3 - 1 9 ) 式所示的关系，所以有 艘2 可净万 ( 厶+ ) 2 将超宽带定义式带入( 3 3 3 ) 式，得到 欲：鱼 躯 可以看出，当中心频率( 波长) 一定时， a r n = 等棚i j a 耻去 ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) 纵向分辨率与百分带宽是成反比的。定 ( 3 3 5 ) 这里称凡为归一化纵向分辨率，其是与百分带宽成反比例关系的，如图 3 - 9 所示。可以看出，在极限情况下，即当= 2 时，归一化纵向分辨率最大为 0 2 5 ，此时实际分辨率为 厶；随着百分带宽的减小，分辨率逐渐变差。这在一 定程度上说明了超宽带信号在分辨率方面的优越性。 图3 - 0 百分带宽与归一化纵向分辨率的关系 3 3 3 方位分辨率 探地雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸称方位分辨率，又称横 第3 章u w b - - g p r 探测性能研究 向分辨率。方位分辨率与天线特性，所采用的信号处理算法，土壤的特性等都有 很大关系，要衡量探地雷达的方位分辨率是非常困难的，也很难用一个公式去衡 量一部探地雷达的方位分辨率。 雷达剖面的方位分辨率通常可用f r e s n e l 带加以说明。按照物理光学的观点， 在入射波的激发下，异常体表面各个面积元都可以看作新波源，这些新波源产生 的二次波依各自的传播路径到达观测点，于是测点接收到的总场强是所有二次波 场强的叠加。由于从发射源到异常体表面上某点，再从该点到达接收天线的光程 不同，各次波的场强因相位不同而产生相互干涉。并且研究表明二个水平相邻异 常体要区分开来的最小横向距离要大于第一菲涅尔半径，= 等，其中胄为异 常体的埋藏深度，五为雷达波中心频率所对应得波长。 下面从数学的角度推导探地雷达的方位分辨率。如图3 1 0 ，设深度为r 处 ，丝 有相距l 的两个目标。则目标n 的回波延时为 1 y ( 3 3 6 ) 2 、辰 目标见的回波延时为t 2 2 歹一 ( 3 3 7 ) 两目标回波延时之差为f ：! ! ! 墨2 1 二墨! ( 3 3 8 ) ， 由上一节分析知道当a t 小于半脉冲宽度三时，基本上无法分辨，所以根据( 3 - 3 8 ) 可以得到 、丁r v ru 了r vj 2(3-39) 式( 3 3 9 ) 说明，探地雷达的方位分辨率取决于雷达波在地下的传播速度、脉冲 宽度以及目标深度。目标越深，脉冲宽度越宽，则方位分辨率越差。 目前提高数据横向分辨率的主要手段是偏移技术，将在第五章进行讨论。 t r 面 图3 1 0 探地雷达方位分辨率示意图 成都理一i ：大学硕+ 学位论文 3 4 本章小结 在介绍常q 模型的基础上，重点研究了超宽带探地雷达的探测性能问题。 分析了探测深度与分辨率的影响因素，通过定义超宽带信号的平均损耗，分析了 百分带宽趋近于2 时的信号探测深度与损耗的关系，并以此为基准，讨论了具有 相同带宽b ，不同百分带宽的信号的探测性能；在一定条件下研究给出了相对 探测深度、纵向分辨率与百分带宽的关系。结果表明，超宽带探地雷达在探测深 度及分辨率方面比常规窄带连续波雷达具有优势。 需要指出的是，虽然在高损耗介质中，常数品质因子假设不成立，但本章得 出的结论仍具有一定的指导意义。 第4 章u w b - g p r 回波信号时频分析 第4 章