（电子科学与技术专业论文）gpr天线和目标的电磁特性分析及数据解译方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 et e r m ss u b s u r f a c er a d a ro rg r o t m dp e n e t r a t i n gr a d a rr e f e rt oaw i d er a n g eo f e l e c t r o m a g n e t i ct e c h n i q u e sd e s i g n e dp r i m a r i l yf o rt h ed e t e c t i o na n dl o c a t i o n o fo b j e c t so r i n t e r f a c e sb u r i e db e n e a t ht h ee a r t h ss u r f a c e i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha 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 hr e s o l u t i o na b i l i t y , o p e r a t i o n a lc o n v e n i e n c e ，l o wc a s t ，a n ds o o n 1 1 1 et r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so fo b j e c t sb u r i e di nl o s s ym e d i u m ，t h er a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fa n t e n u a sa r er e s e a r c h e dt h r o u g hf d t dm e t h o d a n dt h eo b j e c tm a t e r i a l s a t t r i b u t ei se s t i m a t e di nt h ed a t ac o m ef r o mo u ra c t u a le x p e r i m e n t s i nc h a p t e r2 ，t h ef d t dm e t h o da n da b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o nf o rf r e q u e n c yd e p e n d e n t m a t e r i a l sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e r ea r et w oc r u c i a lp r o b l e m so na p p l y i n gt h i sm e t h o dt ot h e s c a t t e r i n ga n a l y s i so fo b j e c t sb u r i e di nm e d i a ：1 ) t oc o n s t r u c tt h ef d t d i t e r a t i v ee q u a t i o n su s e d i nd i s p e r s i v em e d i a ；2 、t oc o n s t r u c tt h ef d t di t e r a t i v ee q u a t i o n si ng e n e r a l i z e dp m la n d a n i s o t r o p i cp m la n dd i s c u s st h ep e r f o r m a n c eo ft h e m t h e n ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o m a g n e t i cp u l s ei nt h ed i s p e r s i v em e d i u m a r er e s e a r c h e dt h r o u g ht h em e t h o d i nc h a p t e r3 ，t h et r a n s i e n ts c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo b j e c t sb u r i e di nl o s s ym e d i u ma r e s t u d i e dw h e nt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra r et h es i m p l ed i p o l em o d a l 1 、t h em e c h a n i s ma b o u t t r a n s i e n ts c a t t e r i n ga n dt h ef a c t o r se f f e c t i n gs c a t t e r i n gw a v e f o r ma r ea n a l y z e d 2 ) t oc o m p u t e t h es c a t t e r i n gf i e l do fs l i d e ro b j e c t s t h e2 5 df d t ds c h e m ei sa p p l i e dt ot h eg p m la b c t h e s c a t t e rc h a r a c t e r i s t i co f s p i n d l yo b j e c t , t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et a r g e th y p e r b o l ac o n f i g u r a t i o n a n dt h eh o r i z o n t a lr e s o l u t i o na r ea n a l y z e db yt h es c h e m e 3 、t h ei n h o m o g e n e o u sm e d i am o d e l w i t hr a n d o mf l u c t u a t i o n sp e r m i t t i v i t ya n dr o u g hs u r f a c ei sg e n e r a t e df r o map r e s c r i b e d c o r r e l a t i o nf u n c t i o n t h ei n f l u e n c eo ft h er a n d o mm e d i at ot h ed i e l e c t r i cl a y e rt h i c k n e s s e s t i m a t i o na n dt h ed e t e c t i o nt a r g e t sa r es t u d i e d i nc h a p t e r4 ，t h eg p ra n t e n n a sw h i c ha r eo n eo f t h em o s tc r i t i c a lh a r d w a r ec o m p o n e n t sf o r t h ep e r f o r m a n c eo ft h eg p rs y s t e ma n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e d i nt h ep a p e r , t h e b o w - t i ea n dt e mh o ma n t e n n aw i t hd i s t r i b u t i n gr e s i s t i v el o a d i n ga r ep r e s e n t t h er a d i a t i o n w a v e f o r m ，i n p u ti m p e d a n c ea n dn e a r - z o n er a d i a t i o np a t t e r no ft h ea n t e n n a sa r ea n a l y z e db y f d t dm e t h o d i ti sp r o v e dt h a tt h et i m ed o m a i nr e s p o n s ea n dr a d i a t i o nw a v eo fa n t e n n a si s i m p r o v e dt h r o u 曲a p p r o p r i a t ed i s t r i b u t i n gr e s i s t i v e l yl o a d e d 1 1 1 em a n u f a c t u r e dd i s t o r t e dt e m h e mw i t hr e s i s t i v el o a d i n gh a sb e e na p p l i e dt ot h eg p rs y s t e m i nc h a p t e r5 ，t h ed i r e c tw a v es u p p r e s s i o na n do b j e c t sm a t e r i a l sa t t r i b u t ee s t i m a t i o na r e s t u d i e d t h ec l u t t e rc a nb es u p p r e s s e df r o mt w od i f f e r e n ts c h e m e sw h i c ha r et h em e t h o do f s h i e l d i n ga n t e n n a s ，p l a c i n gt h el a y e r e di m p e n d e n c em a t c h i n gm e d i u mb e t w e e n t h ea n t e n n a sa n d 第v i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 g r o u n d ，a n dt h es e a r c h i n gt h eo p t i m u mp a r a m e t e r sw h i c hi sas i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d a f t e r s u p p r e s s i n gt h ed i r e c tw a v e ，t h ep h 8 s em a t c h e dm e t h o dc o m p a r i n gt h ep h a s es p e c t r u mb e t w e e n t a r g e ta n ds a m p l es i g n a li sp u tf o r w a r dt oe s t i m a t eo b j e c tm a t e r i a l s 1 1 1 ed i f f r a c t i o nt o m o g r a p h y b a s e do nq u a s i l i n e a ra p p r o x i m a t i o ni sa l s oa p p l i e df o rt h ef i x e d o f f s e tg p r s y s t e m a n dt a k e s i n t oa c c o u n tt h e p l a n a r a i r s o i li n t e r f a c ea n de v a n e s c e n t w a v e t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es c h e m er e d u c e st h ee r r o ri nd tb a s e do nl i n e a r a p p r o x i m a t i o n , a n dc a nb ea d a p t e df o rd e t e r m i n i n gt h el o c a t i o na n dp r o p e r t i e so ft h eb u r i e d o b j e c t s k e y w o r d s ：g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r , f r e q u e n c y - d e p e n d e n tf d t d ，a b s o r b i n g b o u n d a r yc o n d i t i o n , g p ra n t e n n a ，r a n d o mm e d i a ，d i r e c tw a v es u p p r e s s i o n ，d i f f r a c t i o n t o m o g r a p h y , l i n e a r a p p r o x i m a t i o n ，q u a s i l i n e a r a p p r o x i m a t i o n 第v j i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 ，3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 。】0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 ，1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图4 1 图目录 脉冲探地雷达系统构成和工作原理 g p r 系统数据采集方式3 探地雷达系统研究技术路线 y e e 网格单元 ! ； 1 z 有耗媒质中两种吸收边界条件性能的比较2 7 有耗色散媒质中两种吸收边界条件性能的比较2 8 含水量为1 5 的淤泥土的复介电常数和损耗角正切与频率的关系3 0 不同含水量情况下，土壤介电常数和电导率的测量结果3 l f d t d 分析电磁波在有耗色散媒质中传播的示意图3 2 入射信号波形。 脉冲传播到地下不同深度处的时域波形3 4 地下观测点处的脉冲时域波形 地面反射脉冲回波的时域波形 地下单个目标的电磁散射回波 地下目标散射机理分析。 不同介电属性目标的散射回波 目标大小对散射回波的影响 天线间距对目标散射回波的影响 目标形状对散射回波的影响 目标埋深对散射回波的影响 3 7 3 8 3 9 背景媒质介电常数对耳标散射回波的影响 3 9 。4 0 。4 1 背景媒质电导率对目标散射回波的影响4 1 探地雷达目标回波时空图4 5 细长目标的水平定位。4 5 不同情况下目标双曲线比较 地下两个目标的散射回波电平堆积图 不同厚度介质层的反射时域波形 4 8 4 9 天线高度对介质层反射回波的影响4 9 介质层厚度计算误差分析。 随机粗糙表面示意图 介电常数随机波动的不均匀媒质。 随机媒质中金属目标的散射。 4 9 5 2 5 5 随机媒质中空洞目标的散射5 5 单极性脉冲时域波形和频谱 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 , 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 1 3 6 图5 1 双极性脉冲时域波形和频谱5 8 分布电阻加载的蝶形天线示意图6 1 天线金属斜边的f d r d 网格模型。 电阻对蝶形天线辐射波形和输入阻抗的影响6 4 电阻加载蝶形天线的e 面“方向图”和辐射电场波形6 4 电阻加载蝶形天线的h 面“方向图”和辐射电场波形6 5 电阻加载蝶形天线在地下15 e r a 处的照射区域6 5 媒质介电常数对蝶形天线辐射波形的影响6 6 媒质介电常数对蝶形天线输入阻抗的影响6 6 媒质电导率对蝶形天线辐射波形的影响 天线高度对蝶形天线辐射波形的影响 屏蔽腔对蝶形天线辐射波形和输入阻抗的影响6 8 屏蔽腔对蝶形天线方向性的影响。6 8 屏蔽后，蝶形天线在地下1 5 c m 处的照射区域6 8 具有随机粗糙界面的非均匀媒质示意图6 9 随机粗糙界面对天线方向图的影响6 9 媒质不均匀性对蝶形天线方向图的影响 随机非均匀媒质对蝶形天线辐射特性的影响，7 0 电阻加载的变形t e m 喇叭天线示意图7 1 电阻加载对变形t e m 喇叭天线辐射特性的影响7 2 背景媒质和天线高度对变形t e m 喇叭辐射场的影响7 3 电阻加载t e m 喇叭的e 面“方向图”和辐射场波形7 3 电阻加载t e m 喇叭的h 面“方向图”和辐射场波形7 4 电阻加载t e m 喇叭在地下1 0 c m 处的照射区域7 4 收发天线不同的使用组合方式7 5 天线不同使用组合方式时的接收信号和耳标信号7 6 屏蔽腔和吸收材料对t e m 喇叭天线辐射波形的影响7 7 屏蔽后的t e m 喇叭天线的“方向图”7 7 电阻加载变形t e m 喇叭天线问的直耦信号的测量和理论结果7 8 实验室内的探地雷达系统 单根钢筋散射信号的测量和理论计算结果7 8 p v c 管散射信号的测量和理论计算结果7 9 两根钢筋散射信号的测量和理论计算结果7 9 车载式探地雷达系统7 9 车载式探地雷达路面测量和处理结果8 0 探地雷达中分层介质板阻抗变换器示意图8 5 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 i o 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 ，1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 天线的接收信号8 6 观测点处的辐射电场波形8 6 加入介质加载前后目标信号的比较8 6 g p r 测得的3 道原始信号 去除直达波后的数据 钢筋散射回波剖面 p v c 管散射回波剖面 反射系数相位与媒质介电参数的关系 9 0 9 0 9 1 9 3 基于相位模板匹配的目标介电属性分类算法流程图9 4 基于相位谱的目标介电属性分类算法处理结果。9 5 采用相位模板对不同介电属性目标的识别结果。 二维情况下的探地雷达系统模型 目标( 耳= o 2 ，埋深1 0 m ) 衍射层析反演结果 目标( z x e , = 2 0 ，埋深1 0 m ) 衍射层析反演结果 目标( a c t = 0 2 ，埋深0 2 m ) 衍射层析反演结果 目标( a 占, - - 2 0 ，埋深0 2 m ) 衍射层析反演结果1 0 5 金属目标衍射层析反演结果 水瓶目标衍射层析反演结果。 p v c 管目标衍射层析反演结果1 0 7 砖块目标衍射层析反演结果1 0 7 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表 表 表 表 表目录 1 租糙界面分层媒质的层厚度计算误差5 3 2 随机不均匀媒质介质层厚度计算误差5 4 1 不同天线使用方式对直耦信号和目标信号的影响7 6 1 有无屏蔽腔和阻抗匹配介质时信号的比较。8 7 第i v 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 学位论文题日：g 塾丞堡狸旦盎盟垒鲎缝性金盘区熬量篚竖左鎏盈窥 学位论文作者签名：壶l 兰堂日期：知方年办月如日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防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、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：q 丛丞堡塑旦握盟垒壅缱焦佥盘丞熬堡簋竖左洼叠盔 学位论文作者签名：盔i 圭业日期：矽口岁年，口月沁日 作者指导教师签名：丝日期：三讫r 年佃月二日 里堕型堂垫查奎兰婴圣兰堕兰竺丝苎 第一章绪论 1 1 探地雷达技术概述 人类生存和文明发展与地球浅表层息息相关。地球上的绝大多数资源都处于浅表层， 人类的建筑和军事活动也都依赖于这一层，因此人们希望对地表的情况进行了解和分析。 到目前为止，可以用于地下目标和结构探测的技术主要有：地震波、超声波、核、热像仪、 辐射计、电阻、电磁感应和重力场等。在这些技术中，探地雷达( g p r ：g r o l l i l dp e n e t r a t i n g r a d 种技术是一种极具发展潜力的技术手段。 探地雷达有时又称之为表层穿透雷达( 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 ) ，是指利用雷达技术探测埋藏在光不可见结构中或地表以下的目 标或界面。探地雷达通过发射天线向地下某一区域发射电磁波，由接收天线接收回波。电 磁波在传播过程中遇到媒质电磁特性( o r 电常数、电导率、磁导率) 改变时，其传播方向、 幅度、相位均会发生变化，由此产生后向散射。接收天线接收到的电磁波就包含了媒质和 探测目标的电磁特性信息，从而可以用来进行地下目标的探测和识别【卜5 1 。简单地说，探地 雷达的任务就是描述地下目标的几何和物理性质。 探地雷达系统的构成和工作原理如图1 1 所示： 地 介 图1 1 探地雷达系统构成和工作原理图 在计算机的控制下，时序控制电路( 包括比较器、可变电平、快斜波信号、慢斜波信号 和控制电路等电路模块) 输出同步脉冲和取样脉冲。同步脉冲送往脉冲源以发射纳秒级宽频 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 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 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 时间取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、滤波，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。 按照发射信号的形式，探地雷达系统分为连续波g p r ，线性调频g p r ，脉冲g p r 等； 按照数据采集方式，可分为地表式g p r 、钻孔式g p r 等；按照装载方式，可分为手持式、 车载式、机载式等。不同体制的探地雷达对不同的地下目标有不同的探测能力。探地雷达 的体制主要是由它们的调制方式决定的，调制方式是根据穿透深度、分辨率、数据处理软 件、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1 6 j ： ( 1 ) 调频连续波。发射信号为线性调频连续波，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，发 射频谱易于控制，具有很宽的动态范围：其缺点是体积大、成本高，且系统比较 复杂。目前大多数调频连续波雷达仅限于对几十公分以内表层的探测，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。 ( 2 ) 脉冲展宽一压缩技术。发射信号为线性调频脉冲。调频带宽通常很宽以保证足够 高的时间分辨率，同时发射脉冲长度具有很大的时带积，获得很大的总发射能量， 从而提高信噪比。具有圆极化的对数螺旋型天线在这种体制的探地雷达中应用最 为广泛，因此对于地下的细长目标，如管道和电缆，在不知道方位角的情况下并 不影响实地探测。 ( 3 ) 连续波。发射信号可以是点频，也可以是一些特定间隔的频率，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。 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。这种系统的缺点是它 需要对两维孑l 径的精密扫描，工作频率也须根据地下介质的频率衰减特性仔细选 择。 ( 4 ) 极化调制。像管道和电缆等这样的地下细长目标产生的后向散射场以线极化为主， 极化方向平行或垂直于目标的长轴。如果接收天线与发射天线为正交，且发射天 线线极化方向与目标轴线方向相同，则在理论上讲，接收信号为零。因此，相对 而言，采用圆极化特性的天线更有优越性。 ( 5 ) 幅度调制。探地雷达系统采用的幅度调制方式通常有两种：一种是发射经载波调 制的窄脉冲，载波频率通常为几十兆赫，这样的雷达被称为脉冲调制雷达，主要 用于冰、淡水或地质层的探测。另一种幅度调制雷达即无载频冲击脉冲雷达。 各种体制探地雷达具有各自的特点，有些体制之间还存在着应用上的互补性。在浅层 近距离探测应用中，分辨力和系统造价是优先考虑的内容，这类系统常常利用冲激信号形 式。另外，冲激体制测量速度快。因此目前绝大多数探地雷达产品是冲激体制系统。 探地雷达系统采用的测量方式主要包括：剖面法、宽角法以及透射法等 3 1 。其中，( 1 ) 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 剖面法是收发天线以固定间隔沿测线同步移动，其记录是一张时间剖面图，横坐标为天线 沿地表移动的距离，纵坐标为雷达脉冲的双程时间。( 2 ) 宽角法是发射天线固定在一点上， 测量天线沿测线移动，记录的是电磁波通过地下不同层的双程传播时间，它反映地下介质 的速度分布，可用来确定反射波的速度以及反射面的深度。( 3 ) 多天线法是利用多个天线 同时发射或接收，实现多点测量，它的优点是提高了数据采集的效率和质量，使得3 d 实 时成像成为可能。( 4 ) 透射法【7 】，又称跨孔雷达透射层析成像测量或井间层析测量，是利用 两个井问电磁波走时和振幅数据构制两孔问电性变化层析图像的一种数据采集和数据处 理方法。 g p r 接收信号数据根据扫描方向可以表示为三种形式1 4 】：a - s c a n ，b s c a n 和c - s c a n 。 如图3 2 所示，其中砂平面表示探测表面，z 轴表示深度方向。 图1 2g p r 系统数据采集方式 其中a - s c a n 信号表示g p r 天线固定在某一个固定位置( 如图1 2 中的( x t , y 7 ) ) 接收到的 信号波形数据，信号反映的是一组对应不同时延的回波强度信息。因而在点( x t ，y 7 ) 处铡得 的a - s c a n 信号为一维信号，即： f a ( z ) = f ( x ，y ，力l 。：料 ( 1 1 ) 其中z = l ，2 ，n ，n 表示数据时问向的采样点数。一维信号可用于对地下目标的检测和识 别等方面。 b s c a n 数据由若干个a - s c a n 数据水平排列组成，如图1 2 所示。在y = ，处的b s c a n 信号为二维信号形式： a ( x ，力= ( 马乃力l 。v ( 1 2 ) 其中x = l ，2 ，三，表示水平向的测量位置点，z = l ，2 ，n ，表示每个测量点信号的采样点。 二维信号主要用于实现对地下目标的检测、识别以及二维成像等方面。 c s c a n 数据则是由若干个沿着不同测线测量的b s c a n 数据排列而成，因而获得的信 号数据为三维数据，可以表示为： 尼o ，弘z ) = 厂( x ，弘z ) ( 1 3 ) 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 其中工、y 代表探测目标的位置信息，而z 代表探测目标的深度信息。c s c a n 数据可实现 对地下目标的检测、成像以及电磁逆散射等方面。 作为一种地下浅层探测工具，探地雷达在实际应用中与其它地下探测技术相比，具有 以下优点i s - i t j ： g p r 对媒质的三个电磁特性( 介电常数、电导率和磁导率) 的改变都可探测。这 样，g p r 不仅可探测金属目标而且可探测非金属目标。 g p r 具有工程上较满意的分辨率( 方位向和距离向最高均可达到厘米级分辨率) ， 现场直接提供实时剖面记录图，图像比较清晰直观。 g p r 是一种非破坏性探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场， 工作场地条件宽松，适应性强。 g p r 系统可探测其前方区域的地下目标，可提前探测到危险的目标而避免了不必 要的损失，这在探雷或探测地下未知军火等应用领域是十分重要的。 g p r 可以连续探测，实时显示，设备简单，操作方便。 作为一种有效的无损检测工具，探地雷达已广泛地应用于城市建设( 建筑部门，自来 水，煤气公司等) ，交通，考古，环境工程，水文监测和军事等众多部i , - l t l 2 1 8 。其主要应用 包括： 地下管线定位与检测。主要是城市地下金属和非金属管线( 如煤气管、输水管、通 讯线等) 的深度、位置、分布情况以及走向等。 市政工程中的无损检测和质量评估。主要包括建筑物( 如桥梁，楼房) 中钢筋，电缆 走向：道路质量检测包括路面质量，路面厚度及隐患发现等。 地质勘探，如：岩层，空洞，断层，地质结构，地下水，地下矿藏等。 考古应用。古墓和古遗址探测；古迹定位、结构描述等。 环境调查和评估。江，河，湖泊的床面测绘及水下目标探测：冰层，冻土层厚度 测量；地下水调查，危险废物评估等。 月球、行星表层探测。 军事应用。地雷和未爆军火0 3 x o ) 检测；探测墙内、地板下隐藏物体；探狈8 墙壁中 埋设的窃听器等情报安全应用：探测墙体另- n 的静止或运动目标；地下工事的 探测等。 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 h z 之间，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 2 国内外研究现状 探地雷达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探测埋藏物体的方法，他们将偶极子天线埋设在两孔洞中进 行发射与接收，由于高导电率的媒质对电磁波的衰减作用，通过比较不同孔洞之间接收信 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 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 f i 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 质及目标问的本质联系，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。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。 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发展应 用，探地雷达技术得到了迅速的发展，地下浅层目标探测得以实现。目前，国际上有多个 厂家或公司提供面向不同应用的探地雷达产品和服务，主要从事探地雷达研究的公司及产 品有：美国地球物理测量系统公司( g s s i ) s i r 系列；美国c g c 公司的c o m p u - r a d a r 系列； 加拿大s s i 公司的p u l s ee k k o 系列：瑞典s g a b 公司的r a m a c 系列：日本o y o 公司 的g e o r a d a r 系列；俄罗斯的l s 3 ，r a s c a n 2 和s p p 等。 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 0 和c r - 2 0 0 0 探地雷达。从总体上来说，国内关于探地雷达技术的研究与国外的差距较大。 国内产品在分辨率、使用方便性、对雷达信号成像和图像解译技术等方面与国外产品存在 差距。 瞬态电磁场基本理论 瞬态电磁信号在介质中的传播 超宽带信号的辐射和接收理论 介质中目标的瞬态电磁敬射理论 硬件系统关键部件研制 脉冲产生器 采样接收机 超宽带天线 硬件系统集成 信号预处理 r f i 、噪声抑制 系统校准 商达波抑制 工 目标捡测 分层与电磁特性估计 二二工二二 层面厚度估计 系统实验技术 i 厂百磊磊磊纛聂i i i ；一厂百磊j ：否1 卜- r 甄弦i 蘑 图1 3 探地雷达系统研究技术路线 关于探地雷达系统技术研究路线如图1 3 所示。关于探地雷达技术的研究内容主要包 括：高动态低噪声采样接收机，发射波形脉冲产生器，电磁脉冲在色散媒质中的传播特性 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 研究，地下目标电磁散射产生机理，影响目标电磁散射特性的因素，超宽带信号的辐射和 接收技术，数据解译技术( 如超宽带系统校准技术、直达波抑制技术、高分辨率成像技术、 介质分层和厚度估计，目标分类与识别等) 。本文将主要就超宽带短脉冲信号在复杂有耗 媒质中的传播、地下目标散射特性分析、超宽带信号的辐射、直达波抑制以及地下目标介 电属性分析等方面进行研究。 ( 一) 目标散射机理和散射特性分析 电磁脉冲在有耗色散媒质中的传播和衰减特性以及媒质中目标电磁散射产生的机理 和电磁散射特性分析是探地雷达理论研究的一个十分重要的内容。v i t e b s k i y 等人0 9 1 利用求 解s o m m e r f i e l d 型积分的复镜像法和矩量法求解时谐场的稳态响应，分析了理想旋转对称 导体电磁散射形成的机理。g e n g 等人【2 0 , 2 1 1 采用快速多极子和多级快速多极子的方法减少了 一般矩量法的运算量和存储量，分析了地下任意形状导体的瞬态冲激响应。文献 2 2 2 5 1 分别采用时域有限差分法和时域伪谱法分析了平面波入射情况下，有耗媒质中目标的电磁 散射特性。文献 2 6 - 2 8 采用时域方法研究了蝶形天线位于地表面时，地下目标的电磁散射。 因为在探地雷达应用中，天线位于近地表面，媒质中的目标处于天线的近场区域，天线与 媒质半空间以及目标之间存在相互作用，且入射波形不再是平面波，因此在分析有耗媒质 中目标的电磁散射特性时，通常需要考虑包含天线、有耗地面、目标体等的整个区域之间 的相互作用。 ( 二) 探地雷达天线 在硬件实现方面，除了高动态低噪声采样接收机、发射波形控制等之外，天线是探地 雷达系统研制的关键性部件之一。天线的性能将直接影响整个雷达系统的探测分辨率、定 位精度以及目标识别水平。由于雷达体制的不同和工作区域的不同，探地雷达天线除了要 求具有宽带特性之外，还对辐射波形保真度、辐射波形拖尾、天线方向性和辐射有效区域、 收发天线隔离度以及受工作环境影响等方面提出一定的要求【2 9 - 3 ”。因此探地雷达天线的设 计比一般超宽带天线要复杂、困难得多。根据使用方式的不同，探地雷达天线可以分为空 气耦合喇叭天线和地面耦合天线。空气耦合天线是将电磁波辐射到空气中，在接收信号中 检测地面以及地下层状目标的反射信号，它主要应用于道路层面质量评估、分层以及地下 极浅层目标成像等方面。地面耦合天线一般位于近地表面，它是将能量直接耦合到地下， 通过检测接收信号判断地下目标的存在，主要用于地下异常体的检测、识别以及成像等方 面。目前在无载频超宽带冲激脉冲探地雷达上使用的天线多种多样，每种天线都有自己的 优点和不足，任何一种类型的天线都不可能满足探地雷达系统的全部要求。因此针对不同 应用，设计具有高方向性、宽频带、高发射率、体积轻便的天线成为探地雷达系统研制的 一个十分重要的课题。 ( 三) 信号处理与数据解译 探地雷达信号处理和数据解译是制约g p r 进一步发展和实用化的重要因素。目前大多 数探地雷达系统通常采用对数据进行预处理后，通过人工判读的方式进行数据解译。正是 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 由于数据解译技术上的困难，探地雷达系统仍然只是美国运输部公路质量检查的一种辅助 性工具，在探地雷达的其他应用领域也大体一样。 数据解译技术包括数据预处理，介质层面估计，高分辨成像技术，地下目标分类与识 别技术等。探地雷达接收天线所接收的信号由收发天线问的直耦、地面直接反射回波、地 下目标散射回波、媒质与目标问的多次作用、外部噪声干扰等多个信号干涉叠加而形成。 其中由直耦信号和地面反射回波所构成的“直达波”信号远大于地面目标的散射信号。因 此，在进行地下目标检测、识别和成像等数据处理之前要对直达波进行抑制。直达波抑制 和去除的技术主要有：一是采取一定的措施尽量减少直达波的产生，如：通过加强收发天 线的隔离措施以减少收发天线间的直接耦合波，在天线与探测界面之间加介电常数渐变的 阻抗渐变的介质来减少探测表面的直接反射波；二是通过对接收信号进行处理，通过信号 处理的方法抑制直达波，如时域谐振中心模型法，抵消法以及滤波法等方法。 地下目标可以通过能量检测、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) 等方法进行检测。但有时需要判断目标是否为 空洞或者金属，而目标材质属性估计是g p r 数据解译中比较困难的问题。从理论上来说， 电磁逆散射是解决该问题的一种可行的方法。逆散射问题研究的主要目标是要通过对散射 体外部的散射场测量，揭示出散射体的一些重要的信息，如散射体的形状、位置或介电常 数、电导率等物理参数的分布。衍射层析技术是求解逆散射问题的一种重要的方法，基于 线性近似的衍射层析技术在探地雷达系统中得到了很好的应用。d e v a n e y 【3 2 l 首先将衍射层 析技术用于地下目标的检测，该方法基于f o u r i e r 变换和线性b o r n 近似，不需要非线性算 法的逐步迭代，从而减少了计算量。h a n s e n 等人【3 3 l 将衍射层析法引入到收发天线问距恒定 的探地雷达系统中，并考虑了空气一地面的影响，得到了较好的成像效果。h i s l o p 等人彤j 将衍射层析方法引入到一发多收的多通道探地雷达系统中，从而实现对地下浅层目标的反