探地雷达中蝶形振子天线的改进

探地雷达是进行地下环境无损探测的一种有效工具,用来探测和识别地下目标,比如水管、电力线和通信线路、考古方面的保护等.然而,传统的探地雷达系统在可靠性、分辨率、探测深度等方面存在不足.因此,改善被测信号特性,设计和开发更高性能的天线就显得很有必要.本文研制了一种贴片电阻加载的蝶形振子天线,用时域有限差分方法对其进行了分析,实际应用结果表明天线具有良好的波形保真度,良好的辐射特性和屏蔽效果.可以广泛地应用于探地雷达和其它超宽带系统.     

基于非恒Q衰减模型探地雷达的回波仿真

电磁波在地下介质层中的传播特性及回波仿真技术对于反演地下介质层结构具有十分重要的意义。文中研究了探地雷达信号在有耗介质层中传播的回波仿真问题,基于Debye色散模型定义介质层电磁参数,讨论电磁波在地下介质层中的非恒Q衰减特性和模拟回波信号,得到了探地雷达脉冲在层状介质中传播的回波信号模型和反射回波曲线。仿真结果与当前通用的探地雷达数据仿真软件GprMax进行对比,证明了该方法的有效性。     

基于压缩感知的混沌探地雷达空洞检测

城市道路地下空洞检测可有效减少道路塌陷,保证道路安全,是城市建设工作中的重要任务。基于混沌信号的探地雷达相比传统探地雷达具有抗干扰性强,信噪比高,已被证明可以用于空洞检测,但现有混沌探地雷达在确定空洞位置时需要采集大量数据,并对回波信号和延迟后的发射信号进行互相关运算,所需时间较长,给信号的存储和传输也带来很大负担, 不利于实际应用。文中针对混沌探地雷达,提出了一种基于压缩感知的二维成像新方法,并将其用于地下空洞检测,该方法采用混沌脉冲相位调制信号作为信号源,利用压缩感知取代传统混沌信号处理过程中的互相关运算,减少信号采集数据量。仿真和实验结果表明,基于压缩感知的混沌探地雷达成像新方法与传统混沌探地雷达成像方法相比,在保持成像结果的有效性和准确性的同时,只需传统方法采样信号数据量的10％即可准确检测地下空洞目标。     

一种深度学习辅助的探地雷达定位方法

在恶劣条件下,例如在雨、雪、沙尘、强光以及黑夜等环境下,自动驾驶方案中常用的视觉和激光传感器因为无法准确感知外界环境而面临失效问题。因此,该文提出一种通过深度学习辅助的探地雷达感知地下目标特征用于车辆定位的方法。所提方法分为离线建图和在线定位两个阶段。在离线建图阶段,首先利用探地雷达采集地下目标的回波数据,然后使用深度卷积神经网络(DCNN)提取采集的地下回波数据中的目标特征,同时存储提取的目标特征和当前地理位置信息,形成地下目标特征指纹地图。在定位阶段,首先利用DCNN提取探地雷达采集到的当前地下回波数据中的目标特征。然后基于粒子群优化方法搜索特征指纹地图中与当前提取的目标特征最相似的特征,并输出该特征的地理位置信息,作为探地雷达定位车辆的结果。最后利用卡尔曼滤波融合探地雷达定位结果和测距轮测量的里程信息,得到高精度的定位结果。实验选取地下目标丰富的场景和实际城市道路场景来测试所提方法的定位性能。实验结果表明,与单一使用探地雷达原始回波数据地图的定位方法相比,深度学习辅助的探地雷达定位方法能避免直接计算原始雷达回波数据间的相似度,减少数据计算量以及数据传输量,具有实时定位能力,同时特征指纹地图对回波数据的变化有鲁棒性,因此所提方法的平均定位误差减少约70%。深度学习辅助的探地雷达定位方法可作为未来自动驾驶车辆在恶劣环境下感知定位方法的补充。     

HHT方法在探地雷达回波信号特征提取上的应用

探地雷达回波信号是一种非平稳非线性信号,其中不仅包含地下埋藏物的目标信号,还包含有可能掩藏目标信号的直达波信号,给目标的识别带来困难。文中采用HHT方法对探地雷达回波信号进行特征分析,提取回波信号的IMF分量的瞬时频率作为特征向量。实验结果表明,用HHT方法提取特征可较好的避免直达波影响,该方法是可行而有效的,为进一步鉴别地下埋藏物提供了新的思想和方法。     

有问有答

问1:用什么仪器或设备能够将埋入地下1米到1.5米深处的金属物和非金属物探测出来?(福建肖月德等问)答:用探地雷达探测地表面以下的金属物或非金属物体的位置和深度是一种快速、有效而价廉的方法。探地雷达是利用电磁波逆散射原理设计制造的,它适用于市政建设、交通、农业、矿产、能源及考古等各部门以判明埋于地下的管道、电缆等金属物体以及尸体等非金属物体。探地雷达与普通雷达的区别是:1.普通雷达探测距离以千米计算,而探地雷达则以米计算,相差三个数量级。2.普通雷达信号在大气层空间传播时,其衰减主要取决于能量的扩散;而探地雷达的信号衰减则主要取决于传播介质的损耗。     

频谱校正技术在频率步进探地雷达中的应用研究

频率步进方法是探地雷达的工作体制之一。由于地下介质在各个频点对电磁波的衰减程度不同,导致频率步进探地雷达中回波信号频谱已经严重变形。文中基于恒Q模型推导了当考虑地下介质衰减特性时回波频谱的表达式,提出采用频谱校正技术对回波谱白化后进行匹配滤波。仿真结果表明,该技术大大提高了距离像的主旁瓣抑制比和分辨率,提高了地下目标检测能力。     

步进扫频宽带探地雷达信号处理

基于一种步进扫频的宽带探地雷达前端设计,有效地解决探地雷达探测深度和高分辨率的矛盾。该前端系统发射151个步进频脉冲,接收地下物体反射的回波信号,对回波信号进行混频和滤波,然后,选取不同脉冲数处理回波信号,实现了对地探测深度深和分辨率高的优点。用Matlab对步进扫频宽带探地雷达信号进行仿真,并由实验平台验证超宽带步进频在目标探测应用中的有效性。实验结果表明,步进扫频宽带探地雷达可以实现较大的浅地层探测深度和较高的分辨率。     

探地雷达回波信号的特征提取和分类

探地雷达的回波信号具有非平稳特征.为实现非平稳信号的检测和分类,采用了二进小波变换、主分量分析与Fisher线性判别分析和前馈多层感知器分类器分别对探地雷达回波信号进行小波分解、去相关与特征选择和分类.实验结果表明,该算法具有很好的分类效果.     

模糊连通度分割算法在探地雷达图像分析中的应用

对基于相对模糊连通度的交互式图像分割方法进行简化,并将改进后的算法应用到探地雷达图像的分割中,提高了地下目标物体的提取速度.此外,还提出一种探地雷达图像的预处理方案,通过小波局部软阈值去噪算法来抑制探地雷达回波中的干扰信号,再利用窗宽/窗位调整算法突出图像中目标的灰度信息,使图像中的目标得以增强.从而得到一种快速有效的地下目标物体提取方法.用实测探地雷达图像所做的测试实验取得了令人满意的结果.     

水体的探地雷达成像数值模拟与实验比较研究

对中心频率为1.6GHz的探地雷达(GPR)进行水箱管线成像研究,获得了金属和聚氯乙烯(PVC)管线在不同深度、不同管径组合以及不同介质损耗等情况下的雷达剖面。建立了二维时域有限差分程序对实验进行数值模拟对比研究,该程序能对薄壁管线进行高精度建模。相同模型下的数值模拟结果与实验符合较好。从图像解释的角度重点讨论了实测与数值模拟的雷达剖面的异同,分析了电磁波多次反射造成的一系列双曲线现象,并探讨了高损耗介质的GPR数值模拟与实测结果略有不同的原因及解决对策。     

The caustic and ray structures of reflected waves in a linear plasma layer

The caustic and ray structures formed during propagation of electromagnetic waves in a plasma layer are studied in the case when the effective permittivity of the propagation medium linearly decreases as the altitude grows. The main attention is focused on the caustic structure of reflected rays that have various orders and are observed during multihop propagation and tilt-sounding ionograms. It is shown that the caustic structure of a reflected wave corresponds to a hyperbolic umbilic (a D ₄⁺ catastrophe) and that taking into account reflection results in ionogram spreading.     

光纤负压波管道泄漏监测系统

管道泄漏引发的负压波信号及其沿管道衰减程度与管道工况、长度及泄漏孔直径等因素有关。针对传统负压波监测方法定位精度低、可靠性差等问题,提出了一种光纤负压波管道泄漏监测方法。由泄漏负压波在管道中传播规律,通过提高传感器布设密度,降低信号衰减强度,得到了更清晰的负压波下降沿拐点信息。根据泄漏点所在传感器区间不同,提出了自适应负压波波速数值计算方法。在实验室分别对光纤与传统负压波泄漏监测方法进行对比分析,实验结果显示,在泄漏量为管道总运输量5%的工况下,光纤监测法泄漏定位误差小于1.6%,较传统的监测方法能获得更高的管道泄漏监测灵敏度及定位精度,具有更加广阔的应用前景。     

充液管道中声发射波的传播及衰减特性研究

分析了声发射波在液体载荷作用下管道中的声学特性,并对钢管中的几种不同模态的声发射波在液体管道中的传播和衰减特性进行了测量。以一条长41.4 m的充水管道为例,对水载作用下的声发射管道泄漏检测及定位技术进行了研究,当管道内压力为0.6 MPa,两传感器相距40 m时,采用相关分析等信号处理方法,可检测到直径1 mm的针孔形泄漏,相对定位误差为2.9%。     

基于探地雷达的地下管线埋深估计方法

探地雷达已经成为城市地下管线,尤其是非金属管线探测的重要手段之一,但由于地下介质复杂,利用探地雷达估计地下管线埋深时仍存在精度不足和抗干扰能力弱等问题。本文提出使用三维速度谱方法来估计雷达剖面中的地下管线埋藏深度,通过自动扫描双曲线反射信号来计算出电磁波在地下介质中的传播速度。仿真数据和实际数据表明,三维速度谱方法估算的速度值与真实值之间的误差小于3.8%。最后,使用估算的速度值对探地雷达剖面进行背向传播偏移处理,获取准确的地下管线埋深。     

等离子体中的涡旋电磁波传播研究

目前对涡旋电磁波的产生方法及应用已经有很多理论及实验上的研究,但对于其传播过程的研究还非常缺乏,尤其是在电离层等离子体中的传播过程的研究. 本文建立了柱坐标系下的时域有限差分方法模型,推导了柱坐标系下的边界吸收方法,在此基础上计算了涡旋电磁波在真空及等离子体中的传播过程,同时模拟了等离子体密度在涡旋电磁波作用下的时空演化过程. 模拟结果表明:通过阵列天线模型产生的涡旋电磁波在真空中传播时涡旋的形状不会改变;在等离子体介质中,涡旋波的传播依然遵循线性理论,当涡旋电磁波遇到截止频率的等离子体时也会有明显的反射,并产生驻波;同时,在等离子体中涡旋波依然可以保持涡旋形态;涡旋波对等离子体的线性作用使得等离子体也呈现出涡旋态,与实验中的观测相符. 以上的模拟结果能为涡旋电磁波加热电离层的实验以及未来在短波通信方面的应用提供理论支持. 本文建立的涡旋波在等离子体中的传播模型也为进一步研究涡旋波与等离子体的非线性相互作用打下了基础.     

探地雷达频率波数域速度估计和成像方法的实验研究

探地雷达的分辨率和地下电磁波的速度估计是探地雷达应用中两个重要研究课题,类似地震信号处理中的频率波数域偏移处理,本文提出将频率波数域偏移方法应用到探地雷达的成像和速度估计中来,并用实验数据验证了该方法的可行性和有效性.     

地下埋藏目标与分层粗糙面复合散射探地雷达回波特性研究

为了更好地解译探地雷达（ground-penetrating radar，GPR）回波数据，建立了一种二维时域有限差分模型，用于模拟地下分层结构（混凝土层/粘土层）和多个埋藏目标（金属板/条、空洞、水/油管）的GPR探测.对于该模型，地下分层结构中的分界面设置为粗糙界面，采用电磁微分高斯脉冲作为GPR源，并用单轴完全匹配层介质对计算区域边界进行截断以模拟无界区域.通过数值计算得到了探地雷达B-scan扫描的回波仿真结果，并讨论了埋藏深度、几何形状、介电常数、电导率等对回波散射特性的影响，以及目标受其上方不同粗糙度的粗糙界面影响而产生的回波形态的改变.该结果中显示的各个回波的形态、方位、振幅强弱以及到达的时间均与模型中各个结构的外形、位置、媒质特性及埋藏深度相一致，验证了该计算模型的有效性.     

Electromagnetic waves and oscillations in the layered semiconductor-dielectric-semiconductor structure

Theoretical and numerical studies of the electromagnetic properties of the layered semiconductor — dielectric — semiconductor (SDS) structure was carried out. It was shown that the weak damping guide and surface waves may exist in this structure and retardation of surface waves may be several times more than for the semiconductor — dielectric (SD) interface. If this structure contains reflections it leads to the formation of high Q-factor resonance oscillations. It was found that at the beginning of intermode coupling of two surface oscillations in the studied resonance structure, hybrid surface oscillations with near resonance frequencies are formed. Their electromagnetic field components along the wave propagation direction are orthogonal to each other and modulated along the SD interface by orthogonal envelopes.     

基于曲线拟合的探地雷达层状介质参数反演算法

探地雷达具有探测速度快、穿透能力强、分辨率高的特点,是一种有效的无损探测技术,在市政建设、交通、安防等领域有着广泛的应用需求.在探地雷达中分层介质参数反演是地下目标成像与检测识别的必要步骤.本文提出了一种基于曲线拟合的层状介质参数反演算法.首先基于B-scan数据中的反射波曲线拟合,结合电磁波垂直入射模型,获取地下介质...