（信息与通信工程专业论文）基于mcmc盲反卷积的探地雷达系统校准方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r 简称g p r ) 技术是一种先进的地下目标 探测手段。e 1 于探地雷达系统的超宽带特性及穿透探测时电磁波传播的复杂性， 必须通过系统校准才能获取地下目标的精确信息。本文主要针对系统校准这一关 键技术展开研究。 首先，从雷达系统本身和外界环境媒质两方面对影响探地雷达系统探测性能 的各种因素进行了分析，其中重点分析了包括发射机、天线、接收机以及色散媒 质在内的各种影响因素，这些影响因素会引起接收回波信号的波形失真、畸变、 带宽变窄、波形抖动等问题，直接影响系统的精度、分辨率和可靠性。 其次，基于对各种影响因素的分析及对探地雷达系统校准的目的和任务的分 析，提出了将探地雷达系统与媒质、目标等作为一个相关整体进行系统校准的新 思路。整体系统校准避免了传统系统校准将雷达系统与媒质影响独立校准带来的 问题，充分考虑环境媒质的影响，简化了处理过程，提高了校准精度。本文建立 了探地雷达的系统模型，具体阐明了整体系统校准的原理。 第三，针对消除雷达回波的波形畸变及提高探地雷达的垂直分辨率等方面的 问题，研究了目前常用的各种反卷积系统校准方法，并对各种反卷积方法进行了 分类比较。通过分析可知，盲反卷积方法能在未知雷达子波的情况下，同时求解 出子波和反射序列，且不受雷达子波相位的约束，更适合于本文所提出的整体系 统校准。但该方法也存在适用性差、计算量大等问题。 最后，通过深入研究m c m c ( m a r k o vc h a i nm o n t ec a r l o ) 方法，提出了一种 基于m c m c 的盲反卷积系统校准方法以实现探地雷达的整体系统校准。m c m c 方法适用于非线性非高斯模型，能有效简化计算，结合盲反卷积方法后，不易受 发射脉冲信号影响，且引入先验信息能准确估计雷达子波和反射序列，计算速度 快。仿真试验也验证了新方法的有效性。此外，本文还对基于最大似然的e m ( e x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ) 方法作了研究。通过比较不同信噪比条件下两种方法 的仿真实验结果，证明了基于m c m c 的盲反卷积系统校准方法收敛速度更快，抗 噪性能更强，校准精度更高。 卡洛 主题词：探地雷达，雷达子波，整体系统校准，盲反卷积，马尔科夫链蒙特 第i 页 困防科学技术大学研究生院硕上学位论文 a bs 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 ) t e c h n i q u ei sa na d v a n c e dd e t e c t i o nm e t h o do f s u b s u r f a c et a r g e t e x a c ti n f o r m a t i o no fs u b s u r f a c et a r g e tc a nb eo b t a i n e do n l yb y s y s t e mc a l i b r a t i o nb e c a u s eo ft h eu l t r a - w i d e b a n dc h a r a c t e r i s t i c so fg p rs y s t e ma n dt h e c o m p l e x i t yo fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e sp r o p a g a t i o ni nb r e a k t h r o u g hd e t e c t i o n t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e ss y s t e mc a l i b r a t i o nw h i c hi sak e yt e c h n o l o g y f i r s t l y ，i nb o t ht h er a d a rs y s t e ma n de n v i r o n m e n t a lm e d i u m ，v a r i o u sf a c t o r sw h i c h h a v ei n f l u e n c eo nt h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h et r a n s m i t t e r ， a n t e n n a ，r e c e i v e ra n dd i s p e r s i v em e d i u m a l lt h i si n f l u e n c ef a c t o r sc a nc a u s es o m e p r o b l e m si n c l u d i n gt h ew a v e f o r md i s t o r t i o n ，b a n d w i d t hn a r r o w ，w a v e f o r md i t h e ra n d e t c i ti sd i r e c t l ya f f e c t st h ep r e c i s i o n ，r e s o l u t i o na n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m s e c o n d l y ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fv a r i o u si n f l u e n c ef a c t o r sa n dg p rs y s t e m c a l i b r a t i o n sa i ma n da s s i g n m e n t ，an e wa p p r o a c hi sp r o p o s e d ，w h i c hc a l i b r a t e st h e r a d a rs y s t e m m e d i u ma n dt a r g e ta saw h o l e t r a d i t i o n a ls y s t e mc a l i b r a t i o nc a l i b r a t e s r a d a rs y s t e ma n dm e d i u ms e p a r a t e l y i n t e g r a ls y s t e mc a l i b r a t i o nd i f f e rf r o mt h e t r a d i t i o n a lm e t h o d ，w h i c hc a ns i m p l i f yt h ep r o c e s s ，i m p r o v et h ep r e c i s i o no fc a l i b r a t i o n m e a n w h i l e ，t h es y s t e mm o d eo fg p ri sb u i l ta n dt h ep r i n c i p l eo ft h ei n t e g r a ls y s t e m c a l i b r a t i o n t h i r d l y ，i no r d e rt oe l i m i n a t et h er a d a re c h o sd i s t o r t i o na n di m p r o v e t h er e s o l u t i o n o fg p v a r i o u sc o m m o nd e c o n v o l u t i o nm e t h o d sa r es t u d i e d b e c a u s et h e b li n d - d e c o n v o l u t i o nc a ne s t i m a t et h er a d a rw a v e l e ta n dr e f l e c t i o ns e q u e n c e sw h e nt h e r a d a rw a v e l e ti su n k n o w na n dn o tb er e s t r i c t e db yt h ep h a s eo fr a d a rw a v e l e t ，i ti sm o r e s u i t a b l ef o rt h ei n t e g r a ls y s t e mc a l i b r a t i o n b u ti th a st h ed i s a d v a n t a g e so fp o o r a p p l i c a b i l i t ya n dl a r g ec a l c u l a t i o n a tl a s t ，b yf u r t h e rs t u d y i n gt h em c m cm e t h o d ，ab l i n d - d e c o n v o l u t i o ns y s t e m c a l i b r a t i o nm e t h o db a s e do nt h em c m ci sp r o p o s e dt oc o m p l e t ei n t e g r a ls y s t e m c a l i b r a t i o no fg p r m c m ci ss u i t a b l ef o rt h en o n 1 i n e a rn o n g a u s s i a nm o d ea n d s i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o n c o m b i n e dw i t ht h eb l i n d - d e c o n v o l u t i o n ，t h en e wa p p r o a c hi s n o te a s i l yi n f l u e n c e db yt h et r a n s m i t t i n gs i g n a l ，i ts t i l lh a st h ef a s tc a l c u l a t i o ns p e e da n d c a ne s t i m a t et h er a d a rw a v e l e ta n dr e f l e c t i o ns e q u e n c e sa c c u r a t e l yb yt h ei n t r o d u c t i o n o fp r i o ri n f o r m a t i o n t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h i sn e wa l g o r i t h mi s e f f e c t i v e a d d i t i o n a l l yt h ee ma p p r o a c hb a s e do nt h em a x i m u ml i k e l i h o o di ss t u d i e d b yc o m p a r i n ge x p e r i m e n tr e s u l t su n d e rd i f f e r e n ts n r , i ti s s h o w nt h a ts y s t e m c a l i b r a t i o nm e t h o db a s e do nt h em c m ch a st h ef a s t e rc o n v e r g e n c es p e e d ，b e t t e ra n t i n o i s ep e r f o r m a n c ea n dh i g h e rc a l i b r a t i o np r e c i s i o n k e yw o r d s ：g p r , r a d a rw a v e l e t , i n t e g r a ls y s t e mc a l i b r a t i o n ，b l i n d d e c o n v o l u t i o n m c m c 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 电磁波在媒质巾的传播参数17 表3 1 常用的共轭先验分布2 9 表4 1 基于e m 方法与基于m c m c 方法的性能比较5 2 i i i 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1g p r 层次化结构模型图4 图2 1 脉冲探地雷达系统构成和工作原理图。8 图2 2 国防科技大学研制的r a d a r e y e 探地雷达系统9 图2 3 三种g p r 数据收集形式9 图2 4 单极脉冲的理想时域波形和功率谱l l 图2 5 实际单极性脉冲源波形1 1 图2 6 理想的单周波波形和频谱1 2 图2 7s w w a r 信号时域波形和幅频12 图2 8 双极脉冲的波形失真13 图2 9 蝶形天线的辐射波形l4 图2 10 介质劈天线的辐射波形l4 图2 1lt e m 喇叭近区辐射场波形1 5 图2 1 2 探测深度对双极脉冲波形的影响一1 8 图2 1 3 媒质参数不同时，脉冲回波的时域波形1 8 图2 1 4g p r 的系统信号模型2 0 图2 15 反卷积过程示意图2 2 图3 1m c m c 盲反卷积算法流程图3 9 图4 1 雷达子波4 0 图4 2 反射脉冲序列4 l 图4 3 合成雷达数据记录4l 图4 4 基于e m 方法的雷达子波估计4 2 图4 5 基于e m 方法的五取样路径图：4 3 图4 6 基于e m 方法的露取样路径图4 3 图4 7 基于e m 方法的砰取样路径图4 4 图4 8 基于e m 方法的取样路径图：4 4 图4 9 基于m c m c 方法的雷达子波估计4 5 图4 1 0 基于m c m c 方法的五取样路径图4 6 图4 1 l 基于m c m c 方法的蠢取样路径图。4 6 图4 1 2 基于m c m c 方法的砰取样路径图4 7 图4 1 3 基于m c m c 方法的z 取样路径图4 7 图4 1 4 基于m c m c 方法求解出的反射序列4 8 i v 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 15 基于e m 方法求解出的反射序列。4 9 图4 1 6 基于e m 与基于m c m c 的雷达子波比较图5 0 图4 1 7 基于e m 与基于m c m c 的反射序列比较图5 l v 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。 学位论文题目：基王幽g 直区鲞塑丝拯地重达丞缝撞壅麦洼婴塞 学位论文作者签名1囊盛。 嫌啊年帅l 豇 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： 基王墅鲤竺直屋鲞塑箜握垫重达丞红撞壅虚洼盈窒 学位论文作者签名：蓬邀日期：醴盼7 幸，月毛 作者指导教师擀：刍粘魄。勿7 年，7 月听 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测设备。与传统的地球物理方法相比， 探地雷达技术具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强、探测分辨率 高等方面的优判，因而该技术一面世便受到工程物探界的普遍重视。 探地雷达是通过发射高频电磁脉冲波，利用地下媒质电磁参数的差异，再根 据回波的振幅、波形、相位和频率等运动学和动力学特征来分析和推断媒质结构 和物性特，征【2 1 。探地雷达的发射信号在有耗媒质中传播时，媒质的色散效应会引起 脉冲波畸变。即便是雷达发射信号是理想的规则脉冲波( 事实上，由于发射天线 的滤波效应，天线振幅除去的波形已经是具有一定拖尾的非规则脉冲) ，经有耗 媒质传播后，作用到地下目标上的信号也就变成了具有较长拖尾的变形脉冲。另 外，近地强噪声的干扰在回波信号中极不易检测，因而也不利于对地下目标的探 测和辨识。由于探地雷达系统的超宽带特性及穿透探测时电磁波传播的复杂性， 必须要进行系统校准才能精确获取地下目标的信息。 1 1 研究背景与意义 1 1 1 探地雷达的应用与发展 自2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机和微电子技术的飞速发展，探地雷达无 论是在仪器设备，还是数据处理等方面都得到普遍提高，其应用范围不断扩大。 作为一种有效的无损检测工具，改变系统工作参数，探地雷达几乎可以用于任何 非导体表层探测问题。目前探地雷达己广泛应用于城市建设( 建筑部门，自来z g 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 - j 3 1 【1 3 】。其主 要应用包括： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 地质勘探。如：岩层，空洞，断层，地质结构，地下水，地下矿藏等。 ( 4 ) 考古应用。古墓和古遗址探测、古迹定位、结构描述等。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 月球、行星表层探测。 ( 7 ) 军事应用。地雷和未爆军火( u x o ) 检测；墙内、地板下隐藏物体探测； 第1 页 一国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 墒壁中埋设的窃听器探测等情报安全应用：墒体另一侧的静止或运动目标的探测； 地下工事的探测等。 探地雷达的起源可追溯到1 9 0 4 年，德国人h u l s e m e y e r 首先用电磁波发现了地 表的金属物体。1 9 1 0 年德国的l e i m b a c hg 等就以专利形式阐述过雷达用于探地 的原理。直至1 9 2 6 年，h u l s e n b e c k 首先提出应用脉冲技术确定地下结构的思路， 他指出：介电常数不同的媒质交界处会产生电磁波反射。后来c o o kj c 在1 9 6 0 年用脉冲雷达在矿井中做了试验，但是由于地下媒质比起空气具有更强的电磁波 衰减特性，加之地质情况的多样性，电磁波在地下的传播要比在空气中复杂的多。 因此，探地雷达初期的应用，较多地仅限于电磁波吸收较弱的冰层、岩盐矿等媒 质中。随着仪器信噪比的极火提高以及近代数据处理技术的发展，七十年代以后， 探地雷达的实际应用范围迅速扩大，其中有：石灰岩采石场的探测( 1 9 7 1 年t a k a z i ， 1 9 7 3 年k i t a h a r a ) 、- i - 程地质探测( 1 9 7 4 年m o r e yr m ：1 9 7 9 年b e n s o n ) 、煤矿 井探测( 1 9 7 5 年c o o kj c ) 等【l 州7 1 。进入八十年代，随着时域电磁波理论、电子 技术和计算机技术的发展，世界上出现了研制无载频脉冲探地雷达的热潮，许多 国家纷纷推出自己的商用探地雷达产品。如美国地球物理探测设备公司( g s s i ) 的s i r 系列雷达、加拿大探头即软件公司( s s i ) 的p u l s ee k k o 系列雷达、日本 应用地质株式会社( o y o ) 的g e o r a d a r 系列雷达、瑞典地质公司的 r a m a c g p r 钻孔雷达系统等 i s - 2 0 。 国内探地雷达研制工作起步较晚，8 0 年代初，中国电波传播研究所、西安交 通大学、中科院长春地理所、北京理工大学、西南交通大学、北京公路研究所和 东南大学等单位开展了电波在地下传播特性的研究，研究成果集中体现在中国电 波传播研究所于1 9 9 0 年研制出的l t 1 和l t 1 a 型商用g p r 。中国电波传播研究 所在随后十多年相继推出多种型号的g p r ，特别是2 0 0 4 年研制成功的l t d 2 0 0 0 小型g p r 受到国内市场的欢迎。国防科技大学电子科学与工程学院历时三年，于 2 0 0 5 年研制成功高分辨率g p r 系统r a d a r e y e ，该系统具有车载式和手持便携式两 种工作方式，分浅层高分辨率和深层低分辨率多种工作模式。具备地下目标的二 维、三维合成孔径成像以及地下目标分类等功能。 g p r 紧随着无线电技术的出现而萌生，至今已有近百年的历史。电磁学、电 子工程、地球物理、数学和计算机等学科的发展以及探索地下世界的社会需要一 起推动着g p r 技术不断前进，同时g p r 的研究也向相关学科提出了生动的课题， 彼此相互促进。但g p r 也有其局限性：它的探测深度与分辨率是相互制约的，所 以在设计或选用工作频率时只好折中考虑；另外它的探测效果与地质条件密切相 关，当土壤对电磁波的耗散性弱并且目标的电磁特性与其环境相比反差大时，探 测效果好而且数据处理相对简单，反之则表现不出较好的性能，甚至完全不适用。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 尽管如此，在无损检测领域至今还没有其它检测手段具有象探地雷达一样广泛的 适应性，遍布如此众多的行业。在很多场合下g p r 是无可替代的。除了车载式探 雷用的g p r 和机载g p r 有越来越复杂的倾向外，一般民用产品正在向更精巧、更 智能化、更节能和更方便的方向发展，最具吸引力的是价格更低廉，这一点对于 g p r 的发展具有深远意义。 1 1 2 探地雷达中的系统校准问题 校准( c a l i b r a t i o n ) 是一个较为抽象而广泛的概念，其字面的意思是通过检查 ( c h e c k ) ，调整( a d j u s t ) 系统性能参数，并与标准值进行比较( c o m p a r i s o n ) 的 过程。其涉及的内容与校准的对象有关。就测量设备的校准而言，它应该包括测 量设备性能参数的估计，利用标准值进行校正或补偿等，其根本目的就是在测量 值与真实值之间建立恰当的描述关系，从而通过测量值能够反演出部分或全部的 真实值。 探地雷达作为一种无损探测设备，通过测量被目标反射的回波并进行适当处 理，实现对目标的物理特性参数的估计。g p r 校准内容丰富，包含很多方面，下 面通过g p r 的层次模型进行说明。 图1 1 给出了g p r 的层次化结构模型。第一层是目标的物理特性层面，它表 示目标的位置、几何特征、物理参量等等。探地雷达的探测目的就是尽可能最大 限度反演出第一层所表征的目标物理特性。由于g p r 自身的带宽限制，只有部分 的目标电磁散射特性可以被测量到。第二层为媒质传播层面，它表示电磁波与媒 质的作用过程，其中主要包括电磁波在媒质中的传播效应等等。第三层为雷达传 感器层面，它表示电磁波与电信号的转换过程，其中包括发射机特性、载机平台、 天线特性等等。第四层为雷达处理层面，它表示雷达接收机对信号的采样，a d 变换以及数据存储等操作。第五层为图像处理与解译层面，表示通过各种硬件及 软件处理，将探地雷达图像数据进行检测、鉴别和识别，从图像中恢复出第一层 中目标的某些物理参量。 利用该层次化g p r 模型，可对g p r 校准进行讨论。通过分析系统误差的来源 可知，要使第五层的图像解译能尽可能的准确，系统应该是没有误差或误差己知。 误差的来源主要分布在第二层、第三层和第四层。第二层包含的误差为媒质的非 均匀和色散引起反射回波的波形畸变和相位扭曲等。第三层包含的误差为发射脉 冲信号畸变引入的误差，天线间、天线与媒质问耦合响应引入的误差等。第四层 包含的误差为雷达接收机非理想特性及a d 采样的非线性等。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ：i 黍 ：r 、统 ，- ，校 准 图1 1g p r 层次化结构模型图 对误差的测量和估计可以在每一层中分别进行，如可分别对发射机、收发天 线、接收机进行测试校准。但是由于测量的不完善，如工作环境的变化导致系统 性能参数的变化，或有些参量很难直接测量等，分别对每层上的所有参量进行校 正或补偿是不现实的。故本文从整体角度出发，提出将雷达系统与媒质、目标等 作为一个相关的整体进行研究，通过信号处理方法，从整体上消除或减弱各方面 因素影响造成的误差，获得准确的波形参数估计，即可完成系统校准。而这种整 体校准的过程中，必然包含了对雷达系统内部各参量的校准，虽然不能获得单独 的内部参量校准结果，但达到了提高系统的测量精度、分辨率、稳定性等多方面 性能，也即实现了整体系统校准的最终目的。 对于一般的雷达来说，系统校准的对象为整个雷达系统，系统校准的数据为 雷达回波数据。从系统的角度出发，忽略噪声干扰的情况下，雷达接收的反射回 波可表示为发射天线的激励信号与一系列冲激响应的卷积。其中包括发射天线和 接收天线的冲激响应，媒质内目标的冲激响应以及接收机的冲激响应。其中媒质 内目标的冲激响应，包含了目标的信息，而其它冲激响应则描述了各方面因素对 雷达探测性能的影响。系统校准的目的就是消除或减弱影响雷达系统性能的各种 因素，以获得准确的目标冲激响应。而要实现这个目的，需要通过信号处理的方 法获得系统各内部分的冲激响应，再通过相应的方法求解出媒质内目标的冲激响 应或所包含的信息，即可实现系统校准。探空雷达的系统校准即是如此。 与传统的探空雷达系统校准不同，如图1 1 所示，探地雷达系统校准将外部环 境媒质纳入了系统校准的范围，即在系统响应中加入了地层或其它环境媒质的冲 激响应。这是因为：一方面，相对与探空雷达的传播媒质是空气或真空介质，探 地雷达的传播媒质多种多样，不同的湿度、土壤类型使得传播性能差别很大；另 一方面，探空雷达的目标与空气和真空环境的差别大，易于区分，而探地雷达目 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 标与其环境的电磁差异相对较小，且不确定。除此之外，探空雷达的探测目标由 于距离远，系统工作常满足远场条件，而探地雷达通常工作在浅表层，属近场工 作条件，即使是深层探测，由于地下媒质的非均匀性，多次辐射的结果也使得系 统不能认为是远场工作。且探地雷达系统属于超宽带系统，适于窄带系统的经典 雷达方程不再有效，同时，低频超宽带环境下的杂波比对空探测雷达的杂波更复 杂。由此可见，探地雷达的系统校准比探空雷达的系统校准更为复杂，更难实现。 探地雷达系统校准是探地雷达信号处理中的一个重要而基本问题，是目标成 像和解译的基础。通过消除影响系统探测性能的各种因素，可以有效提高系统的 测量精度、分辨率、稳定性等多方面性能，因此具有重要的理论价值和实际意义。 1 2 论文的主要内容及结构 针对探地雷达自身具有的低频、超宽带、近场工作等特点，以及发射的电磁 波在地下媒质传播中表现出来的性质，本文详细分析了影响探地雷达系统探测性 能的各种因素，论述了进行探地雷达系统校准的重要性和必要性。 本文通过对传统探地雷达系统校准方法的研究后认为：探地雷达在校准时， 雷达系统与媒质并不能完全脱离开来研究，必须充分考虑电磁波穿透媒质所带来 的种种影响才可能获得准确的参数。因此，本文从整体角度出发，将电磁波在媒 质中的传播视为雷达系统传输的一部分，提出了将媒质纳入系统校准范围，作为 一个整体进行系统校准的新思路。这种研究方法不仅可以避免孤立看待雷达本身， 充分考虑环境媒质的影响，而且可以简化处理过程，提高校准的精度。 本文研究的目的是提出一种稳健有效的整体系统校准技术，为探地雷达系统 对弱目标的检测、成像与识别解决一个关键技术问题。通过对反卷积方法的学习 和分类比较，将m c m c 方法与盲反卷积方法相结合，提出了一种基于m c m c 的 盲反卷积探地雷达系统校准方法。该方法先根据高频电磁波在地下媒质中传播所 表现的卷积性质构造系统信号模型，再引入先验信息对回波信号的相关参数进行 统计估计，最后采用m p m 算法求解反射系数序列。该方法适用于非高斯非线性信 号模型，解决了常规方法适应性差、计算量大等问题，有效提高了探地雷达系统 的分辨率。同时，为了比较该方法的性能优劣，本文还研究了一种基于极大似然 的e m 方法，并通过仿真试验证明了m c m c 盲反卷积方法在收敛速度及校准精度 上性能更优。 全文共分五章，其内容安排如下： 第一章：绪论 介绍了本文的课题背景和研究意义，讲述了探地雷达的应用和发展，提出了 探地雷达系统校准这一探地雷达信号处理中的重要问题，分析了本文的工作重点， 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 并介绍了本文的研究内容和安排。 第二章：探地雷达系统校准技术的研究内容与方法 首先介绍了探地雷达系统的基本组成及工作原理。然后从系统本身的影响和 媒质造成的畸变这两人方而详细分析了影响探地雷达探测性能的各种因素，提出 了将媒质纳入系统校准范围这一整体校准的新方法，建立了g p r 的系统信号模型， 具体阐明了这种新系统校准方法的原理。此外还研究了目前常用的各种反卷积系 统校准方法，通过对各种反卷积方法的分类比较，从中得出亩反卷积方法更适合 于所提出的整体系统校准的结论。 第三章：基于m c m c 的盲反卷积探地雷达系统校准方法 针对现有盲反卷积方法中存在的计算量大、适用性差的问题，深入研究了 m c m c 方法的基本理论。根据m c m c 方法适用于非线性非高斯模型，且在条件 分布下有利于简化计算的特点，将m c m c 方法与盲反卷积方法相结合，提出了一 种基于m c m c 的盲反卷积系统校准方法，并将其应用到探地雷达的整体系统校准 中。这种新方法不易受发射脉冲信号影响，且引入先验信息能准确估计雷达子波 和反射序列，计算速度快。此外，还对基于最大似然的e m 方法作了研究。本文 对e m 及m c m c 与盲反卷积相结合的方法均推导了相关公式，给出了具体实现步 骤和算法流程图； 第四章：实验与结果分析 按照第三章中给出的算法流程图，设计了不同信噪比下的仿真实验，着重比 较了两种方法的性能。实验结果表明基于m c m c 的盲反卷积系统校准方法收敛速 度更快，抗噪性能更强，校准精度更高。 第五章结束语 对全文进行了总结和概括，并对下一步工作提出了展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章探地雷达系统校准技术的研究内容与方法 探地雷达系统校准通过对接收的回波数据处理，可以准确反演出目标的物理 特性。g p r 系统大致可以划分为发射模块、天线模块、接收模块、信息处理模块 以及电波传播效应等各个子系统。每个子系统的误差影响都会最终造成系统探测 性能的降低。因此分析各个子系统的影响因素，有利于整个系统校准的实现。 与探空雷达不同，探地雷达是一种更为复杂的电子探测设备，具有超宽带、 探测环境复杂等特点。因此必须针对这些特点所带来的问题，发展适合探地雷达 的系统校准方法。 综上所述，本章主要从探地雷达自身的特点出发，分析了影响探地雷达系统 探测性能的各种因素，包括雷达系统中的影响以及媒质对探测性能的影响。阐明 了探地雷达整体系统校准的内涵，包括整体系统校准的实现原理、方法等。 2 1 探地雷达基本原理 2 1 1 探地雷达系统构成及工作原理 探地雷达是利用电磁波穿透媒质对其中的目标进行探测，按照收发信号形式， 可分为无载波冲激体制、步进变频体制、线性频率调制体制、噪声信号体制等四 种主要类型。无论是商业化的产品还是实验室样机，采用最多的都是无载波脉冲 体制，因此，本文的研究主要是针对无载波冲激体制探地雷达，但研究成果也可 适用于其它体制的探地雷达。 无载波冲激体制探地雷达系统的构成一般包括以下几部分：雷达控制模块、 发射机、接收机、收发天线、数据存储、显示和处理模块。不同的应用，机型可 能在某些部分的技术细节上会有所不同，但大体的构成和工作原理是一致的。图 2 1 给出了无载波冲激体制探地雷达系统的构成和工作原理图【1 4 】【2 0 1 【2 1 1 。 在计算机的控制下，时序控制电路输出同步脉冲和取样脉冲，同步脉冲送往 脉冲源以发射周期性的宽频带窄脉冲信号( 可达n s 级) ，经宽带发射天线耦合到 地下。发射脉冲波在传播过程中遇到电磁特性不同的媒质界面、目标或局部媒质 不均匀体时，一部分脉冲波能量被反射回到地面，由接收天线所接收。取样电路 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，由数据线传输给计算机模组，再通过应用软件对数 据进行存储、信号处理和成像，并在显示器上显示出来。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 脉冲探地雷达系统构成和工作原理图 在实际探测过程中，天线沿地面移动，脉冲信号连续不断地发射和接收，雷 达经a d 转换后得到的数据信号按一定方式进行编码排列及处理，再由计算机将 收到的数字信号进行分析计算和回波显示，如以二维形式给出连续的地下纵向剖 面图像( b s c a n ) 。探测剖面内各处对脉冲波的反射强弱，在图像上可以用不同 的灰度或不同的颜色显示，再由操作人员辨识不同层面反射体的空间形态和媒质 特性，并可精确标定物体的深度。通过对回波数据进行合成孔径处理，可实现高 分辨率的二维或三维地下目标图像重建，并在此基础上完成目标解译。 图2 2 为国防科技大学研制的r a d a r e y e 探地雷达系统的图片，( a ) 为车载探 地雷达设备对高速公路进行探测的照片；( b ) 为系统控制软件，可对发射和接收 机参数进行控制，图中显示出发射脉冲的波形、频谱及控制参数；c o ) 为地下水 管的合成孔径成像结果；( d ) 为雷达对地下目标扫描的b s c a n 图像，包括灰度堆 积图、伪彩色堆积图和波形堆积图。 c a ) 高速公路探测照片( b ) 系统控制软件 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 r -；，、_ 7o 。= r o 。1 鼍o 。”。，4 “l = 二= 一 +、 霹j i ( c ) 合成孔径成像 ( d ) 雷达扫描b s c a n 图像 图2 2 国防科技大学研制的r a d a r e y e 探地雷达系统 2 1 2 探地雷达接收信号数据形式 探地雷达接收信号数据根据扫描方向可以表示为三种形式1 2 2 1 ：a s c a n ，b s c a n 和c s c a n 。如图2 3 所示，其中x y 平面表示探测表面，z 轴表示深度方向。 图2 3 三种g p r 数据收集形式 其中a s c a n 信号表示探地雷达天线固定在某一个固定位置( 如图2 3 中的 ( z ，j ，) ) 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( r ，y ) 处测得的a - s c a n 信号为一维信号，即： 无( z ) = 厂( 五y ，力i ，。：产，。 ( 2 1 ) 其中z = 1 , 2 ，n ，n 表示数据时间向的采样点数。 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2 3 所示。在y = y 处的 b - s c a n 信号为二维信号可以表示为： 石( x ，z ) = 厂( b y ，z ) i 归， ( 2 2 ) 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 其中x = 1 , 2 ，l ，表示水平向的测量位置点，z = 1 , 2 ，n ，表示每个测量点 信号的采样点。 c s c a n 数据则是由若干个沿着不同测线测最的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： 正0 ，弘z ) = f ( x ，y ，z ) ( 2 3 ) 其中x 、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。 本文主要研究一维a s c a n 信号。 2 2 影响探地雷达系统探测性能的主要因素 探地雷达系统与传统对空雷达系统存在较大的差异，其系统本身( 发射机、 接收机及天线等) 造成的影响和媒质引起的信号畸变都会降低系统的探测性能， 这也使得探地雷达的系统校准比一般雷达系统校准更为复杂，更难实现。 2 2 1 雷达系统中的影响因素 1 发射机 无载波冲激体制探地雷达的发射信号通常有单极和双极脉冲两种形式。单极 脉冲信号( i m p u l s e ) 的一个典型数学模型是单指数衰减函数，模型化为 ，、2 一型 j ( ，) = oi i pr ( 2 4 ) 上 其中o 表示幅度，丁表示上升时间，脉冲信号的功率谱为 们= 堕竺篙罢产 ( 2 5 ) 单极脉冲的理想时域波形和功率谱如图2 4 所示。极窄的脉冲可瞬间获得宽频 带，对地下目标探测可得到丰富的回波信息，能很大程度提高系统的距离分辨率 及目标的定位精度。 单极脉冲的产生由于电路设计、阻抗匹配等多方面的原因，实际获得的脉冲 波形可能并不理想，存在拖尾振荡，主脉冲波形畸变，脉冲抖动等问题，这些问 题都会影响到系统的性能。如图2 5 所示为一实际单极性脉冲源波形，可见与理想 脉冲波形存在一定差距，后沿底部较宽，存在拖尾振荡。前后沿的陡峭程度直接 影响的是系统的带宽和高频分量的比重，脉冲底部宽度主要影响低频分量，高频 分量的减少和过多的低频分量都会影响有效带宽，降低系统的分辨率。拖尾振荡 过大将会掩盖后面的弱目标回波信号，造成较强的相干噪声，降低系统对目标的 检测能力，尤其是地表直接反射波能量大，拖尾振荡对浅表层目标的影响较大。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 因此，这种失真实际降低了系统的动态范i - 韦l ，尤其是浅层探测能力。 l 归0 8 0 6 化 幅0 4 度o 2 0 ol2345678 t n s ( a ) 单极脉冲时域波形谱 d b 0 2 归- 4 6 薹薹 1 01 52 o2 5 粥h z 归一化对数功率谱 图2 4 单极脉冲的理想时域波形和功率谱 图2 5 实际单极性脉冲源波形 此外，从单极性脉冲频谱可以看出，这类信号的主要频谱分量在低频，由于 天线的高通效应，会使相当一部分能量不能从天线辐射出去，从而降低了系统的 发射效率，同时在系统内部容易产生反射振荡，使得发射波形出现失真，因此， 设计和选择中心频率可控的双极脉冲信号是冲激体制探地雷达所期望的。 典型的双极波就是脉冲调制的正弦信号，为了在时域准确辨识目标回波，探 地雷达通常采用脉冲宽度包含一个周期的正弦信号( 或接近于正弦波的波形) ， 故这种冲激波又称为单周波( m o n o c y c l ep u l s e ) 。图2 6 为一理想的单周波波形和 频谱。 第1 1 页 吣 嘞 o 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 0 8 0 6 归o 4 瓦0 0 2 幅0 2 度o 4 0 6 0 8 l 归0 8 化0 6 幅0 4 频0 2 o ol 2 3450o 51 o1 52 o t n s g h z ( a ) 时域波形( b ) 归化幅频 图2 6 理想的单周波波形和频谱 带振铃的正弦子波( s w w a r ) 是一种接近实际的超宽带信号波形，可以精确 描述实际的双极脉冲信号。s w w a r 的解析表达式由下式给出 r一 s “) ：ia s i n ( 2 n f i ) c o s ( 亏万夕) z i 乞 ( 2 8 ) 卜as i n ( 2 ，r f i ) e 一倒t 吒 其中= i n ，乞= 百n ，口= 0 。l ，= i n 。是信号的持续时间。s w w a r 可以表征冲激脉冲典型的快能量建立和慢衰败过程，其波形、幅频谱如图所示。 1 o 8 归3 豸 一0 2 q 糕6 _ 0 度- o 6