探地雷达论

信息检索结课论文题目：探地雷达的发展现状学院：信息与通信学院专业：电子与通信工程学生姓名：甘睿学号：1502303016授课教师：蔡国永探地雷达的发展现状【中文摘要】(GPR)是一种利用电磁波对地下区域进行无损探测的装置，它根据电磁波在地下介质不连续处产生的反射和散射等现象来反演地下场景和目标的信息，实现对地下目标的检测和识别。通过GPR成像技术，可以对地下目标的信息进行直观显示，便于人们对地下目标的解译。由于GPR成像技术具有非破坏性、高分辨率、探测速度快、操作方便、安全性高等优点，其在军事和民用领域中得到广泛的应用，具有很好的发展前景。与传统雷达成像不同，GPR成像场景较为特殊，具体表现为GPR工作于近场条件，且工作场景和目标特性均比较复杂。【英文摘要】GPR(GroundPenetratingRadar)useselectromagneticwavestoprobetheundergroundregionnondestructively.GPRcanbeusedtoreconstructtheinformationofundergroundscenesandtargetsbythereflectionandscatteringphenomenastimulatedbythediscontinuityoftheundergroundmedium,aswellasundergroundtargetdetectionandrecognition.TheinformationofundergroundtargetscanbedisplayeddirectlybyGPRimagingtechnique,whichisalsoconvenientfortheinterpretationofundergroundtargets.Becauseoftheadvantagessuchasnondestructive,highresolution,fastprobingandhighsafety,GPRhasbeenwidelyusedbothinmilitaryandcivilianapplications,anditpossessesgreatdevelopingpotential.Unliketraditionalradarimaging,theobservingsceneofGPRisrelativelyspecialbecauseGPRworksinnearfieldconditionsandthecharacteristicsofboththeimagingsceneandtargetsarerathercomplicated.Inordertosolvetheseproblems,anin-depthanddetailedresearchhasbeencarriedoutinthisthesisintheaspectsoftimedomainimagingtechnique,frequencydomainimagingtechnique,superresolutionimagingtechniqueandcompressivesensingimagingtechnique.【关键词】探地雷达发展现状研究技术【正文】1.探地雷达的研究背景和意义探地雷达(GroundPenetratingRadar,GPR)是用来对地下目标或场景进行探测的雷达系统。利用电磁波在地下介质电磁特性不连续之处产生的反射和散射象，GPR可以获取地下目标或场景的几何和物理信息。与传统的对地探测方式相比，GPR具有不破坏探测场景、可重复性强、采样密集、安全可靠、高分辨率、操作灵活、经济性强等优势，己在军事和民用的诸多领域得到广泛应用。在系统层面，GPR存在着参数设计、信号形式选择、系统结构设计、天线设计、数据采集等方面的问题。这些问题是GPR系统性能和应用范围的决定性因素，在GPR相关研究中具有基础性的作用。在应用层面，GPR己在地雷或未爆炸武器(UnexplodedOrdance,UXO)探测、无损探伤、冰川冰层探测、冻土探测、地质水文探测、市政工程、管线定位、考古勘测、海岸环境探测、河流沉积探测、风蚀沙丘探测等领域发挥了巨大作用。在信号处理层面，GPR主要存在介电常数估计、直祸波与直达波去除、噪声抑制、射频干扰抑制、目标检测与识别、成像等方面的问题。信号处理方法的性能从一定程度上影响了GPR的性能，对降低数据处理和解译的难度具有重要的意义，其中目标检测和识别是信号处理最本质的目的，而其余方面的问题则是目标检测和识别的预处理过程或辅助手段。由于GPR探测的根本目标是为了对地下目标或场景进行检测和识别，而最初人们直接使用一维或二维回波来完成检测或识别工作，这种工作方式既不方便直观，又对操作人员的专业技能和先验知识提出了较高层次的要求。为了降低目标检测和识别的难度，GPR成像技术应运而生并不断发展。通过改变雷达回波中能量的分布情况，GPR成像技术可以更为直观地表现地下场景及其中目标的几何或物理特征，便于目标解译工作的开展。由于GPR成像技术可使目标解译变得更加容易和准确，己成为当今非破坏性对地探测领域中应用最广泛、最具发展前景的技术之一。常见的成像雷达如合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)、逆合成孔径雷达(InverseSyntheticApertureRadar,ISAR)等在工作时，其收发的电磁波均在空气中传播，而GPR工作时电磁波会在非自由空间介质中传播。通常情况下GPR工作场景中会存在两种及以上种类的传播媒质，电磁波在不同媒质中的传播速度会发生变化，并且在媒质的交界面上还会发生反射、折射等现象。这是导致GPR成像区别于对空雷达成像的关键，也使得GPR成像问题与对空雷达成像相比更为复杂和困难。由于GPR系统的探测环境和应用需求与普通雷达系统不同，GPR成像与通常的对空雷达成像相比也有诸多特殊之处，具体地说有以下几点不同。第一是GPR工作于近场情况。一方面，GPR的成像需求一般具有较高分辨率指标，而理论的极限分辨率正比于信号波长，为达到分辨率指标，发射信号的波长不应过高，而系统对介质的穿透能力与波长成正比，这导致GPR的穿透范围不能过大。另一方面，目标的分布情况决定了GPR探测场景的范围不会过大，例如在典型的探雷、管线探测、高速公路路面检测等浅层目标探测应用中，GPR距离探测场景和目标都很近。上述两个原因决定了GPR一般工作于近场情况，不能按照传统对空雷达成像时的远场近似来分析问题。第二是GPR的工作场景复杂。由于GPR的成像场景中一般存在两种或更多种类的介质，电磁波在传播过程中会在介质交界面发生反射、折射、散射、多次反射等作用。另外，由于实际条件下介质并非非理想的各向均匀材质，在介质内部也会由于其电磁特性变化而导致电磁波传播路径或速度发生变化。而在对空雷达成像模型中，通常认为电磁波是在理想的自由空间内传播，因此GPR的工作场景相对而言比较复杂，其成像结果中也相应地会出现大量旁瓣或杂波干扰，严重影响了目标检测和识别的效果。第三是GPR工作时目标特性复杂。对空雷达与目标之间通常只有空气，目标与其背景环境的电磁特性差异较大，目标特性较为确定。但是GPR工作场景中由于存在背景环境，目标与其所在环境的电磁差异较小，且不确定性较大。目标特性不仅决定于其自身材质，还与背景环境有关。复杂的目标特性也会增加成像结果中的干扰成分，为检测或识别增加困难。上述的三个特点给GPR成像带来新的难题和挑战，为了更好地对地下目标和场景进行成像，提高目标检测和识别的效果，本文将从分辨率、旁瓣和杂波抑制效果、成像速度和精度等各方面提高GPR成像算法的性能，为GPR地下目标检测和识别奠定坚实的基础。2.GPR成像技术的国内外研究现状2.1GPR系统的发展概况GPR的起源可追溯到20世纪初，德国人Hulsmeyer于1904年开创了使用电磁信号对深层地下金属进行探测的先河。但对该技术的首次描述出现在Leimbach和Lowy在其1910年的德国专利中，他们利用电磁波实现了对地下埋设目标的定位。1926年Hulsenbeck首次使用了脉冲技术来确定地下目标的结构信息，他指出包括电导率在内的电磁参数的变化将导致电磁波的反射现象，该发现明确了电磁回波数据和地下场景之间的关系，因此也奠定了使用电磁波探测的方法要优于传统的地震方法的理论基础。随着科技和商业的进步，继GSSI之后国外涌现出一批国际知名的GPR商业制造公司，它们制造了许多商品化和系列化很强的GPR产品。当前主流GPR制造商主要包括美国的GSSI公司，加拿大的SSI(Sensor&SoftwareInc)公司，瑞典的MALAGeoscience公司，意大利的IDS(IngegneriaDeiSistemi)公司，口本的OYO应用地质株式会社，英国的ERATechnology公司，法国的SATIMO公司，芬兰的ToikkaEngineering公司等。我国科研人员紧跟GPR科技发展的步伐，在该领域取得了一些进展。国内己对GPR开展研究的单位有:国防科技大学、中国电波传播研究所青岛分所、东南大学、中科院电子所、西安交通大学、中国地质大学、武汉大学、电子科技大学等。其中东南大学的沈庵等人于1996年研制出了脉冲探地雷达的样机，1999年长江大学的肖柏勋等人使用相控阵天线代替单极子天线，研制出相控阵探地雷达系统;西安交通大学研制出了用于铁路路基探测的探地雷达;北京爱迪尔国际探测技术有限公司研制的CBS-9000V型车载脉冲探地雷达、大连理工大学研制的DTL-1探地雷达等。中国电波传播研究所青岛分所于1990年研制开发出第一款GPR产品在国内市场销售，之后又相继开发出若干型号不同功能的多种GPR设备，其生产的LTD系列产品基本代表了国内GPR生产厂商的较高水平，图1.7(a)(b)分别是其公司最新开发的LTD-2100小型便携式探地雷达主机样图和地下管线检测应用示意图国防科技大学电子科学与工程学院于2005年成功研制出具有自主知识产权的工分高分辨率探地雷达系统RadarEye，该系统具有车载式和手持式两种搭载方式，作模式可随着应用需求进行调节，可对深层/浅层的多种目标进行检测、成像、类，具有较强的应用普适性和可推广性。图1.8给出了RadarEye主机样图和配备了1型天线的系统构成图。2.2GPR成像技术的研究现状随着人们对地下目标或场景信息需求的增长，GPR在地下目标解译领域发挥了巨大作用。而使用一维或二维回波进行数据解译具有很大的难度，难以满足人们对地下信息的需求。通过GPR成像技术可以极大地降低数据解译的难度和不确定性，提高地下目标检测和识别的效率和准确性。GPR成像技术的起源主要是伴随着两个学科的发展而出现的，一个是遥感领域的地球物理探测技术，另一个是信号与信息处理领域的雷达成像技术。由于GPR的传统探测是针对地下场景或地下目标进行的，这与地球物理这一学科的研究对象基本相同，并且地球物理中经常使用到的地震探测方法与GPR使用电磁波进行探测具有一定的相似性;另一方面，GPR作为雷达家族的一员，伴随着雷达成像技术在上世纪的飞速发展，GPR成像技术也获得了长足的进步。按照成像时所恢复的目标特征的不同内容，可将目标的等效模型分为两类：第一类是体散射模型，成像时将目标视为在空间具有一定扩展区域的散射体;第二类是雷达成像中经常使用的散射中心模型，由于此时将目标视为多个离散的强散射点，成像结果恢复出的是点状目标的散射强度和位置信息。根据成像过程中处理回波数据时所在域的不同，可将GPR成像算法分为时域算法和频域算法两类，其中最典型和最具代表性的算法有时域的后向投影(BackProjection,BP)成像算法和频域的距离偏移(RangeMigration,RM)成像算法。BP算法起源于计算机辅助层析(ComputerAidedTomography,CAT)技术，是SAR成像中原理最直观简单的一种成像算法，被提出